Для чего служит коллекторно щеточный узел в генераторе постоянного тока
Перейти к содержимому

Для чего служит коллекторно щеточный узел в генераторе постоянного тока

  • автор:

 

Исходные данные для разработки технологического процесса

Назначение и конструкция щёточно-коллекторного узла

Щёточно-коллекторный узел — узел электрической машины, обеспечивающий электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору).

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока. Щеточно-коллекторный узел содержит коллектор с чередующимися проводящими 1, 2 и изолирующими пластинами (не показаны) и контактирующие с ними щетки 3 и 4, причем щетки расположены на геометрической нейтрали, транзисторы 5 и 6, базы которых соединены с проводящими пластинами 1 и 2, а коллекторы — с обмоткой якоря 7. Эмиттеры транзисторов 5 и 6 подсоединены соответственно к контактным кольцам 8 и 9. Щетки 3 и 4 подсоединены к контактным кольцам 8, 9 посредством управляемого делителя напряжения 10. Базы транзисторов 5 и 6 соединены с эмиттерами через резисторы 11.

В коллекторном электродвигателе щёточно-коллекторный узел одновременно выполняет две функции:

является датчиком углового положения ротора (датчик угла) со скользящими контактами и

переключателем направления тока со скользящими контактами в обмотках ротора в зависимости от углового положения ротора.

В бесколлекторных электродвигателях постоянного тока (вентильный электродвигатель) электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является датчик положения ротора и электронный переключатель направления тока в обмотках статора (инвертор).

В генераторах также одновременно выполняет две функции: является датчиком углового положения ротора со скользящими контактами и переключателем направления тока со скользящими контактами на токосъёмах (щётках) в зависимости от углового положения ротора, то есть является механическим выпрямителем.

В бесколлекторных генераторах постоянного тока (синхронный генератор) обе функции — и датчика углового положения ротора (по направлению и величине ЭДС), и переключателя направления тока на выходных зажимах (по направлению и величине ЭДС) выполняет неуправляемый выпрямитель на диодах.

Кроме того, до середины ХХ в. широкое распространение имели механические выпрямители, коллекторы которых вращались синхронными двигателями для выпрямления сетевого напряжения. Применялись для мощных потребителей, устанавливались на заводах по производству алюминия, на тяговых подстанциях железных дорог и, иногда, трамваях.

Щеточно-коллекторный узел состоит из электро-графитовых щеток, прижимающихся к коллектору — цилиндру, набранному из медных изолированных пластин, соединенных с проводниками обмотки якоря. Коллектор насажен на вал якоря. Щетки установлены в щеткодержателях и соединены с двумя зажимами якоря, к которым может быть присоединена внешняя цепь.

Работоспособность тягового двигателя в значительной степени зависит от состояния щеточно-коллекторного узла. Загрязнение поверхности коллектора 8, наличие на нем царапин, рисок, вмятин и подгаров, местные выработки на коллекторе, а также затяжка межламельных промежутков нарушают нормальные условия коммутации и могут привести к возникновению кругового огня по коллектору.

Устройство и принцип действия генератора со щеточным узлом

Бесщеточные генераторы существенно отличаются от генераторов с клювообразной магнитной системой.

В генераторе, показанном на рисунке использован интегральный регулятор напряжения. Статор 8 генератора имеет пазы, в которых расположены катушки обмотки статора, закрепленные там пазовыми клиньями. Катушки фаз соединены между собой последовательно, а фазы – в треугольник или, при пятифазной конструкции, в пятиугольник. Сердечник статора зажат между двумя крышками — задней 2, выполненной из алюминиевого сплава, и передней 1. Передняя крышка выполнена из стали, поскольку она является магнитопроводом (проводит магнитный поток, образованный неподвижной обмоткой возбуждения расположенной на втулке индуктора генератора). Индуктор 10 фланцем прижат к торцу передней крышки 1.

В бесщеточном вентильном генераторе с неподвижной обмоткой возбуждения (индукторный генератор) ротор представляет собой многолучевую стальную звездочку, насаженную на вал. Обмотка возбуждения соосна с ротором и закреплена в стальной крышке. На вал ротора генератора надеты втулка 9, в которую через дополнительный воздушный зазор проходит магнитный поток из втулки индуктора; звездочка пакета 6 ротора с шестью зубцами, набранная из стальных листов; алюминиевый фланец 7, в выступах которого, расположенных между зубцами пакета ротора, за­литы постоянные магниты. Эти магниты кроме повышения мощности генератора обеспечивают надежное его самовозбуждение, т. е. возможность работы генератора при отключенной аккумуляторной батарее.

Подшипниковый щит 12 генератора выполнен из алюминиевого сплава. Задняя крышка 2 стянута с ним шпильками. Выпрямитель­ный блок 4 расположен во внутренней полости задней крышки 2 и закреплен на ней тремя изолированными болтами. Блок регулятора напряжения 5, содержащий интегральный регулятор напряжения и подстроенный резистор, расположен на наружной поверхности задней крышки и закрыт пластмассовым кожухом.

Рис. Бесщеточный генератор: 1 – передняя крышка; 2 – задняя крышка; 3 – кожух; 4 – выпрямительный блок; 5 – блок регулятора напряжения; 6 – пакет ротора; 7 – фланец с посто­янными магнитами; 8 – статор; 9 – втулка ротора; 10 – индуктор; 11– обмотка возбуждения; 12 – подшипниковый щит

Магнитный поток, проходящий из ротора в статор через зубцы звездочки ротора, велик, а в промежутках между зубцами (по воздуху) мал. При вращении ротора напротив катушек обмоток фаз статора последовательно оказываются то зубцы, то впадины рото­ра. Пронизывающий их магнитный поток изменяется по величине, и в катушках появляется переменное напряжение. Для увеличения степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закреплены постоянные магниты.

Видео: Принцип работы генератора

Генераторы — это электрические машины для трансформации механической, тепловой и других типов энергии в электрическую. Среди всех прочих, наиболее популярны генераторы, преобразующие в электричество энергию вращения. Источников данного вида движения можно назвать множество:

  • двигатели внутреннего сгорания;
  • вращающиеся колеса вагона;
  • льющаяся на лопасти водяной мельницы вода и т.д.

Обычно, в конструкции генераторов используются щеточные узлы для передачи постоянного тока на вращающийся якорь, который выступает в роли постоянного магнита. Щетки, в силу механической конструкции, являются их слабым звеном. Щеточный узел требует регулярного обслуживания, чистки и замены подверженных износу деталей. Этого недостатка лишены бесщеточные схемы возбуждения.

Устройство

Самыми распространенными, за счет простоты конструкции и практической надежности, являются бесщеточные синхронные генераторы с компаундной системой возбуждения. Как любая другая электрическая машина, данный генератор состоит из двух ключевых узлов:

  • вращающийся ротор, с расположенными на нем обмотками возбуждения с выпрямительными диодами;
  • неподвижный статор, с основной обмотки которого снимается напряжение для питания потребительской нагрузки, а дополнительная обмотка с компенсирующим конденсатором предназначена для усиления магнитного потока. Обмотки статора питаются напрямую от ступенчатого стабилизатора напряжения и, как правило, соединены по схеме «звезда».

При пуске генератора, ток в обмотках ротора индуцируется остаточной намагниченностью железа генератора. За счет кремниевых выпрямительных диодов, ток индуцирует постоянное магнитное поле, которое при вращении приводит к возбуждению ЭДС в статорных обмотках. Замкнутая через компенсирующий конденсатор дополнительная обмотка, усиливает начальную намагниченность и запускает процесс лавинообразного возбуждения генератора, продолжающийся до момента насыщения магнитного потока. После этого, к генератору можно подключать потребительские устройства и агрегаты.

Чтобы подключение нагрузки не приводило к понижению выдаваемого напряжения, применяется компаундное регулирование. Оно осуществляется за счет того, что обмотки статора располагаются таким образом, чтобы оси их магнитных полей были смещены на 90 градусов. При этом, увеличение тока в цепи нагрузки приводит к повороту магнитного поля ротора в сторону основной обмотки и, следовательно, увеличению индуцируемой в ней ЭДС. Выходное напряжение стабилизируется.

Преимущества и недостатки

По сравнению с обычными генераторами бесщёточный имеет ряд преимуществ:

  1. Нет угольной пыли, являющейся причиной электрических пробоев.
  2. Нет необходимости в замене изношенных щеток и проточке коллектора якоря.
  3. Меньшее количество механических конструкций даёт более высокую надежность при минимальных трудозатратах на обслуживание.
  4. На работу бесщёточного синхронного генератора не влияют окружающие климатические условия, его применение экономически целесообразно.
  5. Бесщёточные генераторы просты по конструкции и недороги.

К недостаткам можно отнести то, что данные генераторы могут быть только однофазными и имеют невысокий КПД, что, впрочем, устранимо путем применения системы независимого возбуждения с электронными регуляторами. Бесщёточный синхронный генератор в настоящее время активно используется в бензиновых электростанциях, в речных и морских судах — везде, где их применение оправдано требованиями повышенной надёжности и долгого срока эксплуатации.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

В щеточном вентильном ге­нераторе магнитный поток создается обмоткой возбуждения 4 при протекании по ней электрического тока и системой полюсов 3. В автомобильных генераторах их, как правило, двена­дцать. Полюса с обмоткой возбуждения, кольца, через которые ток подводится к обмотке возбуждения, вал и некоторые другие конст­руктивные элементы образуют вращающийся ротор.

Рис. Схема вентильного генератора: 1 – магнитопровод статора; 2 – обмотка статора; 3 – полюсы ротора; 4 –обмотка возбуждения; 5 – кольца и щетки; 6 – выпрямитель; 7 – направле­ние магнитного потока

Обмотка 2, в которой вырабатывается электрический ток, уло­жена в пазы неподвижного магнитопровода 1. Вместе с магнитопроводом она представляет собой статор (якорь). Обмотка 2 ста­тора состоит из трех независимых обмоток фаз.

Наиболее распро­страненные автомобильные генераторы имеют 36 пазов. В каждой обмотке фаз имеется по шесть катушек, включенных последова­тельно. Если обмотка фазы образована из двух параллельных ветвей, то в каждой ветви расположено по шесть катушек.

Полюса ротора и магнитопровод статора изготовлены из стали, которая не оказывает существенного сопротивления прохождению основного магнитного потока. При вращении ротора у катушек об­моток фаз статора последовательно находятся то северный N, то южный S полюса ротора, а магнитный поток изменяется по вели­чине, что по закону Фарадея достаточно для появления на выводах обмоток фаз переменного электрического напряжения. Частота f напряжения связана с частотой пр вращения ротора и числом р пар полюсов ротора простым соотношением: f = рпр/60.

С помощью щеточного узла подводится ток к обмотке возбуждения генератора. Щеточный узел располагается на задней крышке генератора. Он крепится к крышке двумя винтами. Щеточный узел имеет полиэтиленовый корпус, в котором выполнены пазы для щеток.

На генераторах Г221, Г222 и 37. 3701 используются электрографитированные щетки ЭГ51А размером 5х8х18 мм. Для других генераторов применяются металлографитированные щетки М1А размером 6х6,5х18 мм.

При изготовлении щеток в них запрессовывают многожильные медные провода, на которые одевают пружины и провода припаивают к контактам щеточного узла. Пружины обеспечивают надежный контакт щеток с кольцами ротора.

У генератора Г250 одна щетка соединена с корпусом генератора, а другая изолирована и подключена к клемме Ш. У других моделей генераторов, рассчитанных на подключение регуляторов напряжения с кремниевыми транзисторами, обе щетки изолированы от корпуса.

На современных генераторах применяют интегральные регуляторы напряжения, которые устанавливают непосредственно на щеточные узлы. Для этого применяются пластмассовые корпуса узлов большего размера. Во время эксплуатации генератора щетки изнашиваются и их приходится заменять на новые. Нередко, из-за загрязнения пылью, щетки зависают в направляющих корпуса.

Page 2

Генератор собирается с помощью двух крышек: передней (со стороны шкива) и задней, изготовленных из алюминиевого сплава. В крышках выполнены посадочные места под подшипники и отверстия для крепления узлов генератора. В нижней части крышек изготовлены приливы с отверстиями для крепления генератора к двигателю автомобиля.

В эти отверстия запрессованы стальные втулки, через которые проходит крепежный болт. На этом болту поворачивается генератор при натяжении ремня.

Все о альтернаторе генератора: преимущества и недостатки

В верхней части передней крышки имеется кронштейн, с помощью которого генератор фиксируется в заданном положении.

На задней крышке генератора Г250 выполнены надписи токоподводящих клемм. В месте подсоединения выпрямительного блока к крышке генератора на массу подписан знак “-“. Вывод “плюс” c генератора изолирован от корпуса пластмассовыми втулками и подписан знаком “+”. Изолированный вывод обмотки возбуждения обозначен буквой Ш.

На автомобилях ВАЗ применена цифровая маркировка клемм всех электрических агрегатов и приборов. Клемма “+” генератора обозначена цифрой 30, а клемма Ш – цифрой 67. В крышках выполнены отверстия для прохода охлаждающего воздуха, подаваемого крыльчаткой.

Усовершенствованная схема стабилизации напряжения

Page 3

С целью упрощения конструкции генератора и повышения надежности его работы изготавливаются генераторы, у которых обмотка возбуждения не вращается. При этом исключается щеточный узел и соответственно нет износа щеток. Конструкция такого генератора показана на рис. 2.

У этого генератора укорочены клювообразные полюсные половины и обмотка возбуждения крепится на стойках к статору в средней ее части. Стойки изготовлены в виде пластин и располагаются между полюсными половинами. Обмотка возбуждения расположена с зазорами и не касается вращающихся деталей ротора.

Рис. 2. Генератор 45.3701 с неподвижной обмоткой возбуждения: 1,6 – задняя и передняя крышки; 2 – выпрямительный узел; 3 – обмотка возбуждения; 4 – статор; 5 – ротор; 7 – шкив; 8 – крыльчатка вентилятораПо старому обозначению в маркировке генератора указывалась буква Г (генератор), затем следовали цифры, отражающие модель генератора. После цифр добавляли букву и одну цифру, которые показывали вариант изготовления (модификацию).

Генераторы одной модели разных модификаций отличаются диаметрами шкивов и присоединительными размерами для их установки на разные двигатели. Например, Г250Г2 представляет собой автомобильный генератор переменного тока модели 250 модификации Г2. Предназначен для установки на автомобили ГАЗ -53А.

По новому обозначению цифрами сначала пишется модель и модификация генератора, затем следует точка, потом одинаковое для всех генераторов обозначение генераторов 3701.

коллектор машины постоянного тока с электропроводящими ремнями

Устройство простейшего электродвигателя постоянного тока

На рисунке ниже приведена простейшая машина постоянного тока:

Простейший электродвигатель постоянного тока

Рисунок 1

Схематическое отображение электродвигателя постоянного тока в осевом направлении показано ниже:

Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора и двигателя

Рисунок 2

Неподвижная часть двигателя постоянного тока называется индуктором или статором. Состоит он из полюсов и круглого стального ярма, к которому крепятся полюса. Главным назначением индуктора является генерация постоянного (основного) магнитного потока машины. Индуктор простейшей машины, отображенный выше, имеет два полюса 1 (ярмо индуктора не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из цилиндрического якоря 2, укрепленного на валу, и коллектора 3. Якорь состоит из набранного из листов электротехнической стали сердечника и обмотки, укрепленной на сердечника якоря. Обмотка якоря в показанном на рисунке простейшем двигателе имеет один виток. Концы витка соединяются с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. Две неподвижные щетки 4 налегают на коллектор. С помощью щеток обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в электродвигателях постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая запитывается постоянным напряжением и располагается на сердечниках полюсов. Магнитный поток «идет» через якорь от северного полюса N к южному полюсу S, а от него через ярмо снова к северному. Ярмо и сердечники полюсов также изготавливаются из ферромагнитных материалов.

Правила правой и левой руки

Рисунок 3

Устройство коллекторных машин постоянного тока Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмотками Схема электромотора с многообмоточным якорем Якорь Схемы подключения обмоток статора Схематическое изображение простейшего ДПТ

Устройство щеточно коллекторного перехода.

Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4.

Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4).

Генераторный режим двигателя постоянного тока

Предположим, что в нашем случае якорь электрической машины (рисунок 1 и рисунок 2 а)) движется по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря будет индуцироваться ЭДС, направление которой можно определить используя правило правой руки (рисунок 3 а)), что и показано на рисунках 1 и 2а). Поскольку поток полюсов является неизменным, то ЭДС сможет индуцироваться только в случае вращения якоря электродвигателя постоянного тока и называется ЭДС вращения.

Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС будет равна:

Где: B – магнитная индукция воздушного зазора между якорем и полюсом в месте расположения проводника; l – активная длина проводника с током, то есть это длина, на протяжении которой проводник расположен в магнитном поле; υ – скорость движения проводника в магнитном поле (линейная).

В обоих проводниках из-за симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые складываются по контуру витка, и поэтому полная ЭДС якоря двигателя постоянного тока будет равна:

ЭДС Еа является величиной переменной, так как проводники якорной обмотки попеременно проходят под южным и северным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках изменяется. Кривая ЭДС проводника по форме повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора в зависимости от времени t (рисунок 4 а)).

Графики ЭДС и тока простейшего двигателя постоянного тока в якоре и внешней цепи

Рисунок 4

В двухполюсной машине частота ЭДС f равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду: f = n. А вот в общем случае, когда двигатель постоянного тока имеет p пар полюсов с чередующеюся полярностью:

Обмотка якоря с помощью щеток замыкается через внешнюю цепь и, соответственно, в этой цепи начинает протекать ток Ia. В обмотке якоря будет протекать переменный ток и его кривая аналогична кривой ЭДС (рисунок 4). Однако во внешней цепи протекает постоянный ток, это объясняется действием коллектора. При повороте коллектора и якоря на 900 (рисунок 1) происходит смена коллекторных пластин под щетками и изменение направления ЭДС в проводниках. Вследствие чего под верхней щеткой всегда будет находиться пластина соединенная с проводником северного полюса, а под нижней щеткой пластина соединенная с проводником южного полюса. В результате такого соединения направление тока и полярность щеток для внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, коллекторный узел является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток якоря в постоянный ток внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рисунке 4 а), получим форму кривой напряжения и тока внешней цепи (рисунок 4 б)). Пульсирующий ток внешней цепи малопригоден для практических целей. Для избавления от пульсаций применяют более сложные по своему устройству коллектор и якорь двигателя постоянного напряжения, однако основные свойства машины постоянного тока могут быть рассмотрены на примере рассматриваемого нами простейшего двигателя постоянного тока.

Постоянное напряжение на зажимах якоря генератора будет меньше Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря ra:

Поскольку проводники якоря находятся в магнитном поле и через них протекает ток Ia, то на них будут действовать электромагнитные силы (рисунки 1, 2 а)):

Направление этих сил определяют с помощью правила левой руки (рисунок 3 б)). Данные силы и создают электромагнитный вращающий момент, который будет равен:

Здесь Da это диаметр якоря машины. Из рисунков 1-2 а) можно увидеть, что в генераторном режиме данный момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

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

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

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

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

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).

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

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

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

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

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

Положительные черты:

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

Минусы:

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

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

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.

Режим двигателя

Простейший двигатель постоянного напряжения может работать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, если к обмотке якоря подвести напряжение от внешнего источника. На проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр в результате чего создается электромагнитный момент Мэм. Как и для режима генератора, величины Fпр и Мэм вычисляются из равенств (4) и (5). При достаточной величине Мэм якорь электрической машины придет в движение и будет развивать механическую мощность. Момент Мэм в таком случае будет являться движущим, и приводить в движение якорь в направлении вращения.

Если мы хотим, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 1-2 а)) и двигателя (рисунок 1-2 б)) были одинаковы, то направление действия Мэм, а также тока Iа у электродвигателя постоянного напряжения должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 1-2 б)).

 

Коллектор превращает постоянный ток из внешней цепи в переменный ток якоря в режиме двигателя, что смело можно назвать механическим инвертором тока.

Проводники обмотки якоря электрической машины тоже вращаются в магнитном поле, из-за чего в обмотке якоря двигателя индуцируется ЭДС Еа, величину которой можно определить из формулы (1). В электродвигателе направление этой ЭДС (рисунок 1-2 б)) такое же, как и в генераторе (рисунок 1-2 а)). Таким образом, ЭДС якоря Еа в двигателе направлена против тока Ia и приложенного напряжения Ua к зажимам якоря. Поэтому довольно часто ЭДС якоря называют противоэлектродвижущей силой.

Напряжение, приложенное к якорю электрической машины, уравновешивается падением напряжения на обмотке якоря и ЭДС Еа:

Если сравнить уравнения (3) и (6) можно увидеть одну очень важную особенность – в режиме генератора Ua < Ea, в режиме двигателя Ua > Ea.

Принцип обратимости электродвигателя

Из изложенных выше формул и описаний следует вывод, что каждая машина постоянного тока (и не только постоянного) может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Такое свойство имеют все электрические машины, и оно носит название обратимость.

Для перехода двигателя постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности щеток и полюсов, а также при неизменном направлении вращения необходимо всего лишь изменить направление тока в обмотке якоря (что сейчас легко делается с помощью тиристорных преобразователей и других управляемых выпрямителей).

В современных системах такой переход осуществляется автоматически.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Преобразование энергии в двигателе постоянного тока

На рисунке 5 показаны направления действия электрических и механических величин в якоре двигателя и генератора постоянного тока.

Направление ЭДС тока и моментов в генераторе и двигателе постоянного тока

Рисунок 5

В соответствии с первым законом Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело тормозящие и вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в установившемся режиме работы генератора электромагнитный момент будет равен:

Здесь Мв – момент на валу генератора, который развивает приводной двигатель, Мтр – момент трения на коллекторе электрической машины и в подшипниках, а также сопротивления воздуха, Мс – тормозящий момент, вызываемый потерями на вихревые токи и гистерезис в сердечнике якоря. Данные потери мощности возникают вследствие вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Электромагнитные силы, возникающие при вращении ротора электрической машины постоянного тока, оказывают на ротор тормозящее действие и в таком представлении ведут себя подобно силам трения.

Электромагнитный момент двигателя постоянного тока в установившемся режиме работы будет равен:

Здесь Мв – развиваемый рабочей машиной (насос, тележка, кран…) тормозящий момент на валу электродвигателя.

В режиме генератора электромагнитный момент Мэм является движущем, а в режиме двигателя наоборот, тормозящим. При этом в обеих случаях Мв и Мэм противоположны по направлению.

Электромагнитная мощность Рэм, развиваемая электромагнитным моментом Мэм, будет равна:

В данном случае ω – это угловая скорость машины постоянного тока.

Подставив значения Мэм и ω в формулу (8) из формул (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря:

Электромагнитная мощность двигателя постоянного тока с учетом окружности якоря машины

Или же на основании выражения (1):

Под действием тока Ia и ЭДС Еа в обмотке якоря развивается внутренняя электрическая мощность:

Исходя из формул (10) и (11), Рэм = Ра, то есть внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, которую развивает электромагнитный момент, что довольно наглядно демонстрирует процесс преобразования электрической энергии в механическую в режиме двигателя, и процесс преобразования механической энергии в электрическую в режиме генератора.

Умножив соотношения (3) и (6) на Ia получим следующие выражения для генератора:

Соотношения для режимов генератора и двигателя машины постоянного тока

Левые части приведенных выше формул представляют собой электрическую мощность на зажимах якоря, первые члены первых частей электромагнитную мощность все того же якоря, и последние выражение мощность потерь в якорной цепи.

Хотя полученные формулы приведены для простейшей машины постоянного тока (рисунок 1), они все равно будут действовать и в более сложной обмотке якоря, так как моменты отдельных проводников и ЭДС складываются. Данные формулы являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Подведем итоги

Развиваемая на валу генератора приводным электродвигателем механическая мощность, за вычетом магнитных и механических потерь, превращается в электрическую мощность (с вычетом потерь в обмотке) и передается во внешнюю цепь. В режиме двигателя электрическая мощность, подающаяся на якорь электрической машины, частично расходуется на потери, а остальная ее часть преобразуется в мощность электромагнитного поля – потом в механическую мощность, которая после вычета потерь в стали якоря и сил трения с помощью вала передается рабочей машине (лифт, станок, тяговый привод электротранспорта и другие).

Общие закономерности превращения энергии для двигателей постоянного тока также актуальны и для двигателей переменного тока.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Основные назначения коллектора в машине постоянного тока это

Для чего в машинах постоянного тока используется коллектор?

Коллектор
— это система медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К пластинам припаяны отводы от обмотки якоря. Для соединения коллектора с зажимами машины и внешней цепью служат скользящие контакты (щетки).

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины .

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса. На рис. 1. показан общий вид коллектора электрической машины .

Для рассмотрения работы коллектора обратимся к рис. 2, на котором рамка с проводниками А и В показана в разрезе. Для большей наглядности проводник А показан толстым кружком, а проводник В двумя тонкими кружками.

Щетки замкнуты на внешнее сопротивление тогда э. д. с., индуктируемая в проводниках, будет вызывать в замкнутой цепи электрический ток. Поэтому при рассмотрении работы коллектора можно говорить не об индуктированной э. д. с., а об индуктированном электрическом токе.

Рис. 1. Коллектор электрической машины

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось .

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Рис. 4. Коллектор двигателя постоянного тока

Представление о характере изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки, снабженной коллектором, дает кривая рис. 5. Из кривой видно, что наибольших значений ток достигает в точках, соответствующих 90° и 270°, т. е. когда проводники пересекают силовые линии непосредственно под полюсами. В точках 0° (360°) и 180° ток во внешней цепи равен нулю, так как проводники, проходя нейтральную линию, силовых линий не пересекают.

Рис. 5. Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Из кривой нетрудно заключить, что хотя направление тока во внешней цепи и остается неизменным, но величина его все время меняется в пределах от нуля до максимума.

Электрический ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, носит название пульсирующего тока. Для практических целей пульсирующий ток очень неудобен. Поэтому в генераторах стремятся сгладить пульсации и сделать ток более ровным.

В отличие от генераторов, в двигателях постоянного тока коллектор выполняет роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря. Если в генераторе коллектор служит для выпрямления переменного тока в постоянный, то в электродвигателе роль коллектора сводится к распределению тока в обмотках якоря таким образом, чтобы в течение всего времени работы электродвигателя в проводниках, находящихся в данный момент под северным полюсом, ток проходил постоянно в каком-либо одном направлении, а в проводниках, находящихся под южным полюсом, — в противоположном направлении.

Ротор коллекторного двигателя

Ротор коллекторного двигателя состоит из вала, на который насаживается сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал крепится коллекторный узел, с другой, лопасти вентилятора. Для обеспечения лёгкого вращения и для фиксации в корпусе на вал с двух сторон надеваются подшипники. Для нормальной работы электродвигателя, необходимо чтобы ротор был отлично сбалансирован. Потому к изготовлению этой части подходят особенно скрупулёзно.

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

Сердечник ротора собирается из металлических пластин, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, каждая из них залита слоем диэлектрического лака, для избавления от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые затем укладываются витки медной проволоки. Эти пластины насаживаются на вал и закрепляются на нём, собирается пакет требуемого размера. Эта система является магнитопроводом.

Так выглядит ротор коллекторного двигателя

В пазы магнитопровода укладывается витки медного обмоточного провода. Выходы обмоток выводятся на коллекторный узел, где и происходит их переключение.

Как устроен коллекторный узел и как он работает

Коллекторный узел стоит рассмотреть подробнее. Иначе понять, как вращается ротор, сложно. Коллектор имеет цилиндрическую форму и набран из медных пластин (иногда называют ламелями), которые изолированы друг от друга слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому он крепится.

Коллектор имеет вид цилиндра, который набран из медных пластин. Пластины сделаны в виде секторов, разделены диэлектрическими прокладками

Получается, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически друг с другом не связанных. К каждой пластине коллектора крепится вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости двух противоположных рамок коллектора прижимается две щетки. Они плотно прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт хороший контакт. На эти щётки подаётся потенциал, который и передаётся в тот виток обмотки ротора, который подключён к этим пластинам.

К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки

Так как ротор с некоторой скоростью вращается, одна пара пластин сменяется другой. Таким образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора. При этом возникающие друг за другом поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в нужном направлении.

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем. Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

    Преимущества:
  • лучшее соотношение цена/качество
  • высокий момент на низких оборотах
  • быстрый отклик на изменение напряжения
    Недостатки:
  • постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

    По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
  • независимого возбуждения
  • последовательного возбуждения
  • параллельного возбуждения
  • смешанного возбуждения
Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения UОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения

питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается.
При нагружении двигателя
ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

    Преимущества:
  • практически постоянный момент на низких оборотах
  • хорошие регулировочные свойства
  • отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)
    Недостатки:
  • дороже КДПТ ПМ
  • двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].

Управление работой двигателя

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

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

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

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Общие положения

Исполнительными двигателями называются двигатели, которые применяются в системах автоматического управления и регулирования различных автоматизированных установок и предназначены для преобразования электрического сигнала (напряжения управления), получаемого от какого-либо измерительного органа, в механическое перемещение (вращение) вала с целью воздействия на соответствующий регулирующий или управляющий аппарат. Если напряжение и мощность сигнала малы для управления исполнительным двигателем, то применяются промежуточные усилители мощности (магнитные, электронные, полупроводниковые).

Номинальная мощность исполнительных двигателей обычно составляет от долей ватта до нескольких киловатт. К этим двигателям предъявляются большие требования по точности работы и быстродействию. Обычно требуется, чтобы зависимости момента M и скорости n от напряжения сигнала (управления) Uу были по возможности линейными.

Существует ряд разновидностей исполнительных двигателей постоянного и переменного тока. Ниже кратко рассматриваются исполнительные двигатели постоянного тока.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

  • В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
  • В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
  • В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
  • В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Магнитоэлектрические машины

В связи с разработкой сплавов ални (Al – Ni), алнико (Al – Ni – Co), а также ряда других сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами, стало возможным изготовление машин без обмотки возбуждения, с постоянными магнитами на индукторе. В частности, с постоянными магнитами изготовляются исполнительные двигатели с якорным управлением мощностью до 50 – 100 Вт.

С постоянными магнитами можно строить также генераторы и двигатели общего назначения мощностью до 5 – 10 кВт и выше. Такие машины получили широкое распространение.

Конструкция щеточного аппарата

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.

Одна из типичных конструкций щеткодержателя показана на рисунке 5. Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно. Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся к щеточной траверсе (рисунок 7)

Рисунок 6. Щеткодержатель со щеткой 1 – обойма щеткодержателя; 2 – щетка; 3 – нажимная пружина; 4 – токоведущий кабель; 5 – колодки для крепления к пальцу Рисунок 7. Крепление щеточного пальца к траверсе 1 – палец; 2 – траверса; 3 – изоляция; 4 – токособирательная шина

и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах – к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Устройство щеточно коллекторного перехода.

Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4.

Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4).

Коллектор, Принцип действия простейшего коллектора.

2015-07-14 6616
Коллектора — механический преобразователь переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Под дей­ствием напряжения через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля создает силу, которая направлена перпендикулярно. Направление силы определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил, момента и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *