Коллекторный двигатель – это электрический мотор, где движение ротора сопровождается постоянной внутренней перекоммутацией обмоток.
Главной деталью считается коллектор. На фото показано, что деталь трудно перепутать. Коллектор легко просматривается через любую щель. Это барабан медного цвета, состоящий из множества отделённых друг от друга канавками ламелей. Структура коллектора сложна, каждую катушку нужно включить в двух направлениях для увеличения мощности. Этого не сделал однажды Якоби, и результат получился посредственным.
Обмотка якоря (движущейся части двигателя) состоит из множества катушек, образующих полюса. Конструкция симметрична для минимизации люфта, биений, снижения уровня вибраций. Это повышает срок эксплуатации изделия.
Коллектор, укреплённый на валу, становится распределителем электрической энергии, механическим коммутатором. Сегодня альтернативой этому варианту признаны вентильные двигатели с электронным управлением. За счёт своеобразной конструкции коллектор сильно искрит: при разрыве поверхностей щётки и ламели образуется быстро гаснущая дуга. Это становится причиной шума. По уровню постороннего звука коллекторные двигатели превосходят в разы прочие приспособления.
Щётки постепенно изнашиваются. Они состоят из контакта-шайбы под резьбовое соединение; толстого, характерного вида многожильного медного провода и графитового тела. По этим признакам узнаётся коллекторный двигатель, если задняя его часть закрыта кожухом, как показано на фото. Не нужно искать графитовое тело, достаточно посмотреть, куда идёт кабель. Конструкция держателей различается, но щётка легко снимается и заменяется на новую. Для обеспечения надёжного контакта служит прижимная пружина. Она присутствует во всех конструкциях, графитовое тело в процессе эксплуатации стачивается.
Несложно проиллюстрировать на болгарке (угло-шлифовальной машине). Для доступа имеются специальные крышки, позволяющие заменить щётку, не вскрывая корпуса. Чем обеспечиваются высокие эксплуатационные качества. Часто объем работ по резке и зачистке металлов на болгарку ложится большой, в пылу работы разбирать корпус не станет лучшим решением. Если присутствуют крышки, показанные на фото, достаточно снять их и заменить деталь. Резьбовое соединение здесь отсутствует, щётка прижимается к коллектору непосредственно крышкой.
Шлицевой отвёрткой нужно провернуть заглушку и извлечь старую щётку. Контактная площадка легко выбрасывается наружу, подталкиваемая пружиной. При невозможности достать идентичную щётку, допускается графитовое тело подточить. Форма контакта роли не играет, при необходимости припаивается нужной формы шайба, площадка и пр.
Из сказанного следует, что коллекторный двигатель в высшей степени ремонтопригодный. Отношение свысока к конструкциям постоянного тока неправильная политика. Эффективность переменного тока (крутящий момент, КПД) ниже. Причина — скорость вращения вала не всегда совпадает с частотой сети. Сложно предсказать результат векторного сложения полей всех полюсов.
Первые мощные электрические двигатели, способные тянуть составы поездов, основывались на поступательном движении якоря, притягиваемого и толкаемого электромагнитом. Это моторы Кларка и Пейджа, появившиеся в 40-х годах XIX века. Роторные приводы с коллекторами, изобретённые раньше, не обретали должной популярности из-за малой мощности. К последнему типу относились двигатели:
Начало конструкции коллекторных двигателей заложили Волластон, Фарадей, Ампер, Барлоу и Ритчи. Все последующее – повторение их идей в определённой степени. На момент 1850 года многими инженерами (Джоуль, Скорсби и пр.) вычислено, что электрическая энергия обходится до 25 раз дороже пара. Следовательно, конструкторы упёрлись в необходимость создать генератор, чего и достигли в скором времени (обратимость генераторов и двигателей предсказал Ленц в 1833 году).
Коллекторные двигатели появились первыми. Все пошло от Майкла Фарадея, показавшего: если непрерывно подавать на провод электрический ток, удаётся заставить жилу вращаться вокруг магнита. Опыт проделан в 1821 году, о чем доложено Королевской академии. С оговоркой – Фарадей заявил, что идея не удалась. Учёный продолжал опыты и к ноябрю добился успеха. Параллельно опытом занимались прочие физики, слушавшие доклад, и тоже добились успеха.
Майкл Фарадей сегодня считается отцом коллекторных двигателей. Следом подобную машину собрал Барлоу.
Больше всего колесо Барлоу напоминает зубчатый диск пилорамы, подвешенный низко над столом. Нижний край его опущен в ёмкость с ртутью, в конец которого свешен провод с током. Это жидкий контакт, использованный и Майклом Фарадеем в 1821 году. С торцов нижнего края диска находится два полюса подковообразного постоянного магнита: южный и северный. Линии напряжённости диска направлены под углом, начинается вращение. Провод закорачивается через диск и станину на источник напряжения (вольтов столб).
Из сказанного видно, что принцип действия колеса Барлоу аналогичен использованному Майклом Фарадеем. Последний остановил свои исследования. Наставник Фарадея, много радевший о принятии Майкла в состав Королевского общества Англии, считал идеи подопечного плагиатом от установки Волластона, не работавшей по непонятной причине. Вместо ртути возможно налить подкрашенную воду (см. рис.), а ограничивает скорость вращения колеса – лампочка-индикатор. На целых 10 лет история создания коллекторного двигателя приостановилась.
Новая оригинальная идея принадлежит профессору Вильяму Ритчи. Он первым изобрёл двигатель с вращающимся валом, хотя российская литература отдаёт прерогативу Якоби. В журнале Philosophical Transactions от 20 марта 1833 года за номером 123 опубликована заметка, где указывалось несколько конструкций. Автор уверяет, что первый аппарат оказался собран ещё 9 месяцев назад (июнь 1832 года). Согласно рекомендации следует изготовить круглую подставку из древесины с жёлобом по внешнему периметру с налитой туда ртутью. Жёлоб по диаметру разделён на две равные части пологой перегородкой из древесины.
По центру подставки смонтирована тонкая ось, на которой вращается длинный брусок электромагнита. Полюса его питаются от двух проволок, окунаемых в ртуть. В момент прохождения импровизированными контактами перегородок происходит смена полюсов. Теперь, если над отключённой установкой подвесить подковообразный постоянный магнит, а источник питания замкнуть, ротор начинает вращаться!
Установка Ритчи считается первым в мире коллекторным двигателем. Правда, ртутный распределитель стоит на статоре, ныне он стал частью ротора. Смысл: особая конструкция позволяет сменить полярность электромагнита, что считается основной идеей конструкции любого коллекторного двигателя. Используя идеи Ампера, Ритчи сориентировал станину так, чтобы граница раздела канавки, заполненной ртутью, совпадала с географическим меридианом, и ротор стал вращаться в поле Земли!
Изобрёл профессор и прочие любопытные вещи, часть из которых связана с рассматриваемой темой. В то время (1834 год) доктор Эдмундсон из Балтиморы сконструировал подобие мельницы с коммутируемыми контактами. Здесь уже сдвоенный коллектор из крестовин стоял на окончаниях оси ротора, а единственный коммутируемый подковообразный электромагнит образовывал статор. Отключая и включая питание, крутящийся вал заставлял двигатель работать – притягивать одно окончание центрального креста. Последние два устройства составляют базис для конструирования рассматриваемого класса изделий.
Итак, теперь ясно, что Якоби не изобретал коллекторного двигателя. Но сумел приспособить и улучшить заимствованные идеи и через год собрать отличный двигатель, коллектор которого состоял уже из 4-х секций на каждом из 4-х токосъёмников. Заимствование идеи опознаётся по факту, что перегородки между контактными площадками сформированы по образцу.
Главная заслуга инженера — сумел выбить из царя 8000 рублей на развитие изобретения, обещая удивить Неву электрическими лодками на зависть Темзе и Тибру. Двигатели Якоби отличались большим количеством полюсов. Первый вариант состоял из четырёх электромагнитов на статоре и аналогичного количества на роторе. Для коммутации оси стояли четыре кольца, на каждом – по 4 проводящих сектора, разделённых участками древесины. Налицо повтор описанных конструкций.
Задумка не отличалась оригинальностью. Четыре магнита ротора и статора поочерёдно включались и выключались путём коммутации питающих контактов. Два кольца предназначались для управления подвижной частью и два – неподвижной. Полюсы делились на две пары, включаемые попеременно. Конструкция ротора и статора в этом плане идентична. Для обеспечения правильной временной коммутации кольца-съёмники пары смещены друг относительно друга на 45 градусов: пока работает первая, вторая бездействует.
Видео работающего двигателя выложено на Ютуб youtube.com/watch?v=kIPyyGyBZ60, а скрины красочны, благодаря Электротехническому институту ETI, подразделению Института технологий Карлсруэ KIT (eti.kit.edu) в целом и Мартину Доппельбауэру в частности. Конструкцию считают самым мощным коллекторным двигателем до прихода 40-х годов XIX века
Задокументировано, что 13 сентября 1838 года первая электрическая лодка длиной 28 футов прошла за 7 часов расстояние в 7,5 км и обратно по Неве со средней скоростью 2,5 км/ч. Двигатель мощностью 300 Вт питался от 320 пар медно-цинковых пластин суммарным весом 200 кг, размещённых по обоим бортам судна. Неизвестно доподлинно, остались ли довольны 14 пассажиров, и находился ли среди них Ленц, но массового распространения данный вид транспорта не получил по очевидным соображениям: слишком большой расход цинка.
Ситуация начала меняться после 1859 года, в котором Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с восполняемым зарядом. Якоби несколько лет работал над собственным изобретением, но единственным ответом на усилия стало увеличение скорости судна в полтора раза (1839 год). Следующим годом Сибрандус Стратинг из Гронингена спустил на воду электрическую лодку, занимался и электромобилями.
В итоге, первый электрический флот появился на Темзе. Произошло это полвека спустя (1882 год). Флотилия началась с первого судна длиной 7,6 метров, названного громким словом Электричество. Неся на борту новые аккумуляторы и совершенные коллекторные двигатели, оно сумело развить скорость 13 км/ч и удерживать показатель в течение 6 часов. К 1888 году по Темзе ходил небольшой флот судов (6 штук), заряжаемых от электростанций, раскиданных по берегам реки. Ни одно из творений не сохранилось, но современный музей может похвастаться 16-метровой Мэри Гордон выпуска августа 1900 года.
Сегодня тяговые коллекторные двигатели ставят на локомотивы и пылесосы, в дрели и стиральные машины. C 1844 года активно использовались генераторы переменного тока Вулрича совместно с выпрямляющими коммутаторами. Этой мерой пытались снизить цену за вырабатываемую энергию. Прежде эксперименты шли с постоянным током, вырабатываемым медными и цинковыми кружками, и коллекторные двигатели рассчитывались на указанные условия.
Первый генератор создан в 1832 году Ипполитом Пикси. Как и первые мощные двигатели, создавался с поступательным ходом якоря. Следующим годом Ленц доложил об обратимости генераторов, что наталкивало на мысль о возможности создания коллекторных разновидностей устройств. Что уже прямо приводит к использованию энергии ветра, воды, газа, пара и пр. для создания электрической энергии. Хотя до 90-х годов напарником генератора оставался коммутатор-выпрямитель.
Считается, что первым прижимные щётки придумал Вернер Сименс. Он занимался конструированием мощных динамо машин (1866 год). Исследователи в этой области важную роль отводят Аньошу Йедлику. Его имя называют первым среди изобретателей двигателей постоянного тока (см. видео youtube.com/watch?v=QFz70sdPf-8). Изобретатель говорит, что собственную машину собрал в 1827 году. Факт не задокументирован среди патентов, журналов, периодических изданий. Приходится думать, что вращающаяся конструкция действительно собиралась до опытов Майкла Фарадея с электромагнитной индукцией.
Конструкция Йедлика напоминает как две капли воды изделие Ритчи, описанное выше. Выгодно отличаясь отсутствием ртути. Контактом аккумулятора служит медный диск, разделённый диаметрально пополам. Поле статора создаётся витком толстой медной проволоки, на якоре расположены две последовательно соединённые обмотки, с токосъёмниками, волочащимися по поверхности диска. Два раза за оборот полярность полюсов статора меняется, что обеспечивает конструкции жизнеспособность.
Выходит, Йедлика уместно считать изобретателем первого в мире устройства с автоматической коммутацией полюсов. Коллектор расположен на станине, следовательно, считается статором. Упомянем Якоби, первым показавшего миру, как делать токосъёмник, на основе чего грядущие поколения смогли сделать прижимные щётки. Йедликом и Якоби сделаны две вещи, прямо касающиеся дальнейшей судьбы коллекторных двигателей:
Кажется невероятным, но Йедлик не патентовал свои изобретения и не доводил до общественности, потому что считал: информация уже давно известна. Следует напомнить, что с началом технической революции научное общество Европы раскололось, а США начали тянуть одеяло на себя. Промышленники быстро увидели, что за счёт науки легко заработать, идеи не предавались широкой огласке.
Первым догадался применять переменное напряжение для создания вращающегося магнитного поля Тесла. Учёный в противовес Эдисону полностью отказался от коллекторов и работал исключительно над синхронными и асинхронными двигателями. Это продиктовано личной неприязнью двух конструкторов. Замечено, что коллекторный двигатель может работать и от переменного тока – в ущерб эффективности – что делало устройство универсальным (так коллекторные двигатели часто и называют).
Любому типу устройств присущи достоинства и недостатки. Если брать коллекторные двигатели, их ценят за простоту регулирования скорости, большой крутящий момент, точность в работе. Недостатками считаются большой вес, нетерпимость к ударам и вибрациям, необходимость частого обслуживания. Коллекторные двигатели занимают в быту ведущую роль. Если посчитать соотношение обеих разновидностей дома:
Как отличить устройство по внутреннему устройству приборов, говорилось выше. А внешними признаками коллектора становятся искрение и повышенный уровень шума. В комплект порой даются графитовые щётки.
vashtehnik.ru
Cтраница 2
По этим показателям они уступают только коллекторным двигателям постоянного тока. [16]
Микросхема представляет собой схему управления коллекторным двигателем постоянного тока ( двухканальный драйвер реверсивного двигателя) загрузки кассеты и заправки ленты видеомагнитофонов и магнитофонов. [17]
Примером такого интегрирующего устройства может служить коллекторный двигатель постоянного тока. [18]
В приборе в качестве исполнительного двигателя используется коллекторный двигатель постоянного тока ( типа ДПМ), в связи с этим усилитель прибора построен по схеме прямого усиления без преобразования входного сигнала. [20]
К этому же времени относятся первые попытки заменить коллекторные двигатели постоянного тока бесколлекторными машинами переменного тока, работающими от статических преобразователей частоты. Появляются первые схемы вентильных двигателей и разрабатывается теория частотного регулирования, в которую большой вклад внесли советские ученые М. П. Костенко, Д. А. Завалишин, Б. Н. Тихме-нев, А. А. Булгаков, Е. Л. Этингер и др. Однако практические результаты были более чем скромными: статические преобразователи на ионных вентилях - игнитронах и тиратронах - оказались очень сложными и ненадежными в работе и их серийное производство не удалось наладить ни одной фирме в мире. [21]
В этом случае механическая характеристика БМПТ аналогична механической характеристике коллекторного двигателя постоянного тока. [22]
Известно, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в несколько раз дешевле коллекторного двигателя постоянного тока, имеет меньшие габариты, может быть выполнен на существенно большие скорости при той же мощности, надежней и проще в эксплуатации, так как является бесконтактным. Уже сейчас разработанные принципы автоматического управления электроприводами переменного тока с тиристорными преобразователями обеспечивают экономичное плавное регулирование скорости в большом диапазоне, позволяя получить значительно лучшие динамические характеристики этого электропривода по сравнению с электроприводом постоянного тока. [23]
Кроме того, ограниченное применение имеют однофазные асинхронные двигатели промышленной частоты, коллекторные двигатели постоянного тока и однофазные электромагниты, приводящие в прямолинейное возвратно-поступательное движение рабочие механизмы машин ударного действия. [24]
Механические и рабочие характеристики силовых БДПТ имеют сходный характер с аналогичными характеристиками коллекторных двигателей постоянного тока. [26]
Эти особенности отражаются на характеристиках бесконтактного двигателя, которые в целом схожи с характеристиками коллекторных двигателей постоянного тока. На рис. 2.16 представлены механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока. В случае, если индуктивность секций примерно равна нулю ( Ls O), рассматриваемые характеристики аналогичны характеристикам обычного двигателя постоянного тока. С увеличением L они становятся более нелинейными. [27]
В последнее время в различных областях техники все более широкое распространение получают импульсные системы регулирования скорости вращения коллекторных двигателей постоянного тока. С их применением возможно осуществлять плавный и без потерь в реостатах пуск и изменение скорости вращения двигателей и перевод их в генераторный режим для осуществления электродинамического торможения с отдачей энергии в питающую двигатель сеть. [28]
Таким образом, крупные двигатели могут быть выполнены со значительно более высокими электромагнитными нагрузками и с меньшими моментами инерции, чем коллекторные двигатели постоянного тока; в них может быть применено непосредственное охлаждение, и в перспективе они могут заменить коллекторные двигатели в мощном регулируемом электроприводе. [29]
Таким образом, крупные двигатели могут быть выполнены со значительно более высокими электромагнитными нагрузками и с меньшими моментами инерции, чем коллекторные двигатели постоянного тока; в них может быть применено непосредственное охлаждение, и в перспективе они могут заменить коллекторные двигателив мощном регулируемом электроприводе. [30]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
Колле́кторный электродви́гатель — электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.
Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:
Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3-9 вольт).
Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют
Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.
Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:
Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.
К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема такова, что изящных решений для неё нет.
Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговый электродвигатель.
Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М. П. Костенко, «Электрические машины»). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, в США же частота 25 Гц была одной из стандартных (наряду с 60 Гц) до 50-х годов XX века. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М. П. Костенко «Электрические машины», электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов.[источник не указан 1698 дней]).
Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (КМПТ) являются машины «пульсирующего тока», полученного путём выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога).
Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3-5 от номинального (против 5-10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.
Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет своё направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В КМПТ реактивная ЭДС также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Её амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратится в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации КМПТ может быть решена следующим образом:
Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.
Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.
Достоинства:
Недостатки:
Достоинства:
Недостатки:
Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.
Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:
Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50-60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.
Таким образом, в однофазных сетях КМПТ не знает себе конкурентов.
Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.
Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).
Ближайшим аналогом УКД по механической характеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).
Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).
Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.
encyclopaedia.bid
