Как работает коллекторный двигатель переменного тока

Применение и устройство коллекторных электродвигателей

Коллекторный электродвигатель
по своему устройству принципиально не отличается от двухполюсного двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. К отличительным особенностям коллекторных двигателей относятся: высокая скорость вращения якоря, малые габаритные размеры и масса. Используются в пылесосах, кухонных машинах, ручных электроинструментах. Для указанных машин, как правило, применяются универсальные (встраиваемые) коллекторные электродвигатели. Универсальными принято называть коллекторные двигатели, которые работают как от переменного, так и постоянного тока.

Коллекторный электродвигатель переменного тока конструктивно сложнее двигателя постоянного тока. Эти усложнения связаны с необходимостью набора сердечника индуктора из отдельных листов, а также закладывания дополнительной обмотки, компенсирующей явления, связанные с искрением под щетками. Нельзя не отметить и такие недостатки этих машин, как высокий уровень шума, помехи радиоприему, стирание угольных щеток. Вместе с тем по некоторым параметрам они превосходят асинхронные двигатели. К ним можно отнести: большое значение максимальной скорости вращения (до 25 000 об/мин), возможность ее плавной регулировки, наличие хороших пусковых данных.

Для того чтобы понять, как работает коллекторный электродвигатель, его принцип работы можно проиллюстрировать на следующем простом опыте (рис. 1). Если пустить ток по рамке прямоугольной формы, помещенной между полюсами магнита (постоянного или электромагнита), она начинает вращаться. С помощью контактов-полуколец обеспечивается переключение тока в рамке, благодаря чему осуществляется ее непрерывное вращение в одном направлении. Коллекторные двигатели содержат много таких рамок, и соответствующее количество пар контактов. Таким образом, работа двигателей данного вида обеспечивается за счет взаимодействия магнитных полей, присутствующих в статоре и якоре.

На рис. 2 показана схема, поясняющая подключение коллекторных электродвигателей. Вся силовая нагрузка выполняется симистором, подающим напряжение на двигатель и подключенный к нему последовательно.

Электродвигатели коллекторные однофазные имею высокую удельную мощность. Ими довольно широко и успешно оснащают бытовую технику и ручной электроинструмент. Коллекторные однофазные электродвигатели установлены на подавляющей части бытовых электроприборов. Подключение к сети постоянного тока осуществляется с помощью всей обмотки возбуждения. Для подключения к переменной сети используется лишь часть ее. Это освобождает от необходимости включения компенсационных обмоток.

Оригинал статьи размещен на нашем сайте cable.ru

.

Если этот материал был для Вас полезным, поделитесь

им в социальных сетях!

А для того, чтобы не пропустить выход новых статей, ставьте «лайк»

и
подписывайтесь
на наш канал:
Кабель. РФ: всё об электрике
.

Источник

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

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

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

Источник

Работа коллекторного электродвигателя переменного тока

В бытовой технике, ручном электроинструменте, автомобильном электрооборудовании и системах автоматики очень часто применяется коллекторный электродвигатель переменного тока, схема подключения которого, как и устройство схожи с двигателями постоянного возбуждения постоянного тока.

Столь распространенное применение их объясняется компактностью, небольшим весом, невысокой стоимостью и простотой управления. В этом сегменте наиболее востребованы двигатели с высокой частотой и малой мощностью.

Подключение однофазного коллекторного двигателя — переменного тока

В этой теме необходимо понять, — как именно подключается однофазный коллекторный двигатель переменного тока, допустим, после его ремонта. Электрическая схема рис.1 дает нам представление о характере электрических соединений, то-есть, здесь мы можем заметить, что две обмотки статора электродвигателя в электрической цепи состоят в последовательном соединении, а две обмотки ротора электродвигателя относительно внешнего источника напряжения — соединены параллельно и электрическая цепь для данного примера замыкается на обмотках ротора электродвигателя.

Принцип работ и конструктивные особенности

Устройство это достаточно специфичное, обладающее в силу схожести с машинами постоянного тока, похожими характеристиками и присущими им достоинствами.

Отличие от двигателей постоянного тока состоит в материале корпуса статора, изготовленном из листов электротехнической стали, благодаря чему удается добиться снижения потерь на вихревые токи.

Чтобы двигатель мог работать от обычной сети, т.е. 220 в, обмотки возбуждения соединяются последовательно.

Эти двигатели, называемые универсальными благодаря тому, что работают они от переменного и постоянного тока, бывают одно- и трехфазными.

Видео: Универсальный коллекторный двигатель

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Схема подключения (упрощенная)

Типовая схема подключения предусматривает вывод на контактную планку до десяти контактов. Протекающий по одной из щеток ток L поступает на коллектор и якорь, затем переходит на обмотки статора через вторую щетку и перемычку, выходя на нейтраль N.

Реверса мотора подобный способ подключения не предусматривает, поскольку подсоединение обмоток параллельное приводит к одновременной смене полюсов магнитных полей. В итоге, направление момента всегда одинаково.

Рекомендуем:

Изменить направление вращения возможно, если поменять на контактной планке местами выхода обмоток. Напрямую двигатель включают, когда вывода ротора и статора подсоединены щеточно-коллекторный механизм. Для включения второй скорости используются выводы половины обмотки. Нельзя забывать, что с момента такого подключения мотор работает на максимальную мощность, поэтому время его эксплуатации не может превышать 15 секунд.

Видео: Подключение и регулировка оборотов двигателя от стиральной машины

Работа омметром

Искренние могло происходить из-за пропадания электрического контакта в одной из ламелей. Для замера сопротивления рекомендуется ставить щупы со стороны токосъемников. Вращая вал двигателя, наблюдают за показаниями циферблата. На экране должны быть нулевые значения. Если проскакивают цифры даже в несколько Ом, то это говорит о нагаре. При появлении бесконечного значения судят об обрыве в цепи.

Независимо от результатов далее следует проверить сопротивление между каждыми соседними ламелями. Оно должно быть одинаковым для каждого замера. При отклонениях нужно осмотреть все соединения катушек и поверхность прилегания щёток. Сами щетки должны иметь равномерный износ. При сколах и трещинах они подлежат замене.

Катушки соединяются с сердечником проводкой, которая могла отслоиться. Припой часто не выдерживает ударов от падений. У стартера ток через контакты может достигать 50А, что приводит к прогоранию некачественных соединений. Внешним осмотром определяют места повреждений. Если не обнаружили неисправности, то проводят замер сопротивления между ламелью и самой катушкой.

Управление двигателем

На практике применяют различные способы регулирования работы двигателя. Это может быть электронная схема, где регулирующим элементом выступает симистор, который на мотор «пропускает» заданное напряжение. Работает он как мгновенно срабатывающий ключ, открываясь, когда на его затвор поступает управляющий импульс.

В основе принципа действия, реализованного в схемах с симистором, лежит двухполупериодное фазовое регулирование, где к импульсам, которые поступают на электрод, привязано напряжение, подаваемое на двигатель. При этом, частота, с которой вращается якорь, прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на обмотки.

Упрощенно этот принцип можно описать такими пунктами:

• на затвор симистора подается сигнал от электронной схемы;
• затвор открывается, ток течет по обмоткам статора, вызывая вращение якоря мотора М;
• мгновенные величины частоты вращения преобразуются тахогенератором в электрические сигналы, формируя с импульсами управления обратную связь;
• как следствие, вращение ротора при любых нагрузках, остается равномерным;
• с помощью реле R и R1 осуществляется реверс мотора.

Другая схема – тиристорана фазоимпульсная.

Преимущества машин и недостатки

К достоинствам относят:

• небольшие размеры;
• универсальность, т.е. работу на напряжении постоянном и переменном;
• большой пусковой момент;
• независимость от сетевой частоты;
• быстроту;
• мягкую регулировку оборотом в широком диапазоне при варьировании напряжением питания.

Недостатки связаны и использованием щеточно-коллекторного перехода, влекущего:

• уменьшение срока службы механизма;
• возникновение между щетками и коллектором искры;
• высокий уровень шума;
• большое число коллекторных элементов.

С обмотками возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более широкое применение. От двигателей этого типа работает аккумуляторный электроинструмент: болгарки, дрели, шуруповерты т.д. Обмотки возбуждения делают из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В качестве основы используются канавки в полюсных наконечниках. На них как на основу наматываются обмотки.

Коллекторный двигатель с системой обмоточного возбуждения

Если посмотреть на устройство коллекторного двигателя, мы видим два несвязанных между собой устройства, ротор и обмотки возбуждения. От способа их подключения зависят характеристики и свойства двигателя. Различают четыре способа соединения ротора и обмоток возбуждения. Эти способы называют способами возбуждения. Вот они:

Способы подключения обмоток возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа подключения. Но высокопродуктивные отличаются высокими оборотами (тысячи оборотов в минуту, реже сотни) и низким моментом, так что они идеальны для вентиляторов. Для любой другой техники используют низкооборотистые модели с малым КПД, либо к продуктивным моделям добавляют редуктор, другого решения пока не нашли.

Основные неисправности

Искрение, возникающее между щетками и коллектором – самый главный вопрос, требующий внимания. Чтобы избежать неисправностей более серьезных, таких как их отслаивание и деформация или перегрев ламелей, сработавшуюся щетку необходимо заменить.

Помимо этого, возможно замыкание между обмотками якоря и статора, вызывающее сильное искрение на переходе коллектор-щетка или значительное падение магнитного поля.

Чтобы продлить срок службы двигателя, необходимо соблюдение двух условий – профессиональный изготовитель и грамотный пользователь, т.е. строгое соблюдение режима работы.

Видео: Коллекторный электрический двигатель

Источник

Типичные неисправности

Якорь электродвигателя при нормальных режимах работы не подвергается износу. Заменяют только щетки, замеряя допустимую длину. Но при длительных нагрузках обмотки статора начинают нагреваться, что приводит к образованию нагара.

Из-за механических воздействий якорь электродвигателя может перекоситься при повреждении подшипниковых узлов. Двигатель будет работать, но постепенный износ ламелей или пластин приведет к окончательному выходу его из строя. Но для спасения недешевого оборудования часто достаточно провести профилактический ремонт и прибором можно будет пользоваться длительное время.

К негативным факторам, влияющим на якорь электродвигателя, относят попадание влаги на металлические поверхности. Критичным является длительное воздействие влажности и появление ржавчины. Из-за рыжих скоплений и грязи происходит повышение трения, это увеличивает токовую нагрузку. Контактные части греются, припой может отслаиваться, создавая периодическую искру.

В сервисном центре могут помочь, но это потребует определённых затрат. С поломкой можно справиться и самостоятельно, ознакомившись с вопросом: как проверить якорь электродвигателя в домашних условиях. Для диагностики понадобится прибор, замеряющий сопротивление и инструменты.

Как работает коллекторный двигатель со щеточным механизмом в бытовой технике

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

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

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

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

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Компоновка и принцип работы

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

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

При взаимодействии этих двух электромагнитных полей создается вращение ротора.

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

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

Магниты и обмотки располагаются на корпусе статора, и чаще всего, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более популярны коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в производстве, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостаток моторов с постоянными магнитами является их невысокая мощность, а еще то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению характеристик двигателя.

Устройство коллекторного двигателя постоянного тока

Такие моторы имеют небольшую мощность, от единиц до сотен Ватт. Они используются в технике, для которой важна плавная регулировка скоростей. Это обычно детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы). Недостатком коллекторного мотора с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и без того небольшая мощность падает. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, позволяющие создавать двигатели с большой мощностью.

Электрическая схема

Для практических работ удобно пользоваться двумя видами ее представления:

Упрощенное отображение

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

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

Принципиальная схема

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

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

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

Принцип работы

Вот теперь, после того как рассмотрели устройство ротора, можно поговорить о том, как работает коллекторный двигатель. Собственно, принцип действия не отличается от других моторов, ротор начинает вращаться в магнитном поле благодаря наведенным на нём токам. Но как именно и почему эти тока наводятся? Для понимания надо вспомнить, как возникает электродвижущая сила в постоянном магнитном поле. Если в поле постоянного магнита ввести прямоугольную рамку, под действием возникающего в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля оно гласит так, если ввести правую руку в поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация к пояснению принципа работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если посмотреть на устройство ротора, то видим, что каждая обмотка представляет собой такую рамку. Только состоит она не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. При помощи коллекторного узла, в какой-то момент времени, обмотка подключается к питанию, по ней протекает ток и вокруг проводника возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, стоят там постоянные магниты или тоже протекает постоянный ток в обмотках, генерируя на полюсах собственное магнитное поле. Поля ротора и статора рассчитаны так, что при взаимодействии они «проталкивают» ротор в нужном направлении. Вот, коротко и без особых подробностей описание работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Проблемные места конструкции

Чаще всего неисправности могут возникнуть в:

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

Подшипники

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

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

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

Направления приложенных усилий

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

Работа в загрязненной среде

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

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

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

Отчего искрят щетки

Конструктивные особенности

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

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

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

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

Износ материала щеток

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

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

Раритетные образцы

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

✔ Электродвигатели — типы, устройство, принцип работы, параметры

Электрическим двигателем называют машину, благодаря работе которой электроэнергия преобразуется в механическую, используемую, чтобы приводить в движение механизмы. Электрический двигатель – главный элемент электропривода, который управляет процессом преобразования энергии. Особенности его работы изучает электромеханика, одним из основоположников которой стал Майкл Фарадей, создавший первую модель электродвигателя.

Электропривод может работать в нескольких режимах. В некоторых из них происходит процесс обратного преобразования, электропривод в этом случае выполняет функции генератора. Двигатель может создавать движения нескольких видов – например, вращающиеся, линейные другие. Чаще всего, когда говорят об электродвигателе, имеют в виду вращающее устройство, поскольку оно получило наибольшее распространение.

Конструкция двигателя и принцип работы

Основные элементы конструкции устройства – это ротор (элемент, который вращается) и статор (неподвижная часть). Ротор, как правило, находится внутри статора, однако встречает и иная конструкция. Такие электродвигатели, у которых ротор находится снаружи конструкции, называют обращенными.

Устройства работают по следующему алгоритму:

1. В соответствии с законом Ампера, сила действует на проводник с электрическим током в магнитном поле.
2. В согнутом состоянии, когда проводник принимает форму рамки и находится в магнитном поле, обе его стороны принимают прямой угол по отношению к этому полю и испытывают силы, направленные противоположно.
3. Эти силы образуют крутящий момент, который вращает рамку.
4. На якоре, где образуется электродвижущая сила, есть несколько витков, необходимых для обеспечения большего постоянного момента.
5. Магнитное поле создается не только магнитами, но и электромагнитами – намотанными на сердечник проводами. Ток, который протекает в рамки, усиливает движение тока в эти провода, благодаря чему и создается магнитное поле.

Типы электродвигателей

Классификация электродвигателей довольно разнообразна, две основные группы – коллекторные и бесколлекторные устройства.

Коллекторные двигатели (с механической коммутацией)

Конструкция устройства предполагает, что есть как минимум одна обмотка, которая подсоединена к коллектору. Этот элемент используется для переключения обмоток, а также выполняет функции датчика, который определяет положение ротора, являющегося якорем. Коллекторные двигатели могут быть:

• Универсальные – они работают как на переменном токе, так и на постоянном. Особенно часто подобные устройства используются в бытовых приборах, а также в инструменте, предназначенном для ручного использования. Модели отличаются легкостью, простотой в управлении, компактными размерами, поэтому получили широкое распространение.
• Устройства постоянного тока, работа которых основана на преобразовании его электрической энергию в механическую. Они отличаются быстродействием, простотой управления, высоким пусковым моментом, возможностью плавной регулировки частоты вращения. Однако коллектор достаточно быстро изнашивается, поэтому агрегаты отличаются ограниченным сроком службы. Кроме того, его коллекторно-щеточные элементы нуждаются в регулярном обслуживании.

В целом коллекторные двигатели отличаются довольно простым устройством и невысокой стоимостью, поэтому они широко используются как в промышленных агрегатах, так и в бытовых. Их скорость можно регулировать в широких пределах, а для крутящего момента характерны хорошие показатели даже на малых оборотах.

Бесколлекторные модели

Обмотки бесколлекторных двигателей располагаются на статоре. Типы таких устройств:

• Асинхронные модели очень распространены в промышленности. Они отличаются надежностью, долгим сроком службы, простотой обслуживания и низкой себестоимостью. Недостаток конструкций – сложная процедура регулирования частоты вращения.
• Синхронные модели используются там, где требуется точно управлять скоростью вращения, а также в случаях, когда важным становятся максимальные КПД и мощность.

Поскольку из конструкции двигателя исключен коллектор, она отличается большей простотой, по сравнению с коллекторными моделями. Другие достоинства – высокий КПД, хорошее охлаждение, а также возможность работы в воде, при условии использования специальных водоотталкивающих смазок.

Специальные модели

Серводвигателем называют устройство, которое позволяет фиксировать рабочий орган в требуемых положениях и перемещать его в соответствии с заданными параметрами. Серводвигатели не выделяют в отдельную группу, поскольку в этом качестве используются устройства как постоянного, так и переменного тока, в которых установлен датчик положения ротора. Чтобы привести устройство в действие и управлять им, необходима особая система управления, которая обычно создается специально для сервопривода.

Дополнительные категории

В каждой из перечисленных категорий выделяют дополнительные подкатегории.

• Коллекторные модели могут быть универсальными либо репульсионными. Этот термин означает двигатель переменного тока, между ротором и статором которого есть трансформаторная связь. Частоту вращений такого электродвигателя можно регулировать в широких пределах.
• Двигатели постоянного тока могут различаться типом включения обмотки. Он может быть независимым, параллельным, комбинированным.
• Асинхронные двигатели бывают одно-, двух- или трехфазными.

Каждая из перечисленных моделей используется для выполнения конкретных задач и для разных типов устройств. Информация о возможностях двигателя, его типе указана в маркировке каждого агрегата.

Параметры работы электродвигателя

Надежность электродвигателя и экономичность его работы зависят от правильного подбора его параметров. При оценке устройства определяющими становятся следующие критерии:

• вращающий момент;
• мощность;
• частота вращения;
• КПД;
• напряжение;
• момент инерции ротора.

Дадим подробную характеристику каждому из этих критериев.

Вращающий момент

Термином называют физическую величину, измеряемую в Ньютонах на метр, которая является произведением силы на плечо силы. Для ее расчета радиус вектор, направленный от точки приложения силы к оси вращения, умножается на вектор силы. Формула выглядит следующим образом: M = Fr.

Мощность

Мощность демонстрирует, какую работу двигатель совершает за определенную единицу времени. С точки зрения электротехники мощность рассматривается как полезная механическая мощность на электровалу.

КПД

Характеристика демонстрирует, насколько эффективна система преобразования электроэнергии в механическую. Коэффициент (η) рассчитывается как соотношение между полезной энергией (P2) и потраченной (P1): η = P2 ÷ P1.

Эффективность работы электродвигателя может снижаться по следующим причинам:

• Проводники с током нагреваются, происходит потеря тепла – в этом случае говорят об электрических потерях.
• Излишнее намагничивание сердечника вызывает появление гистерезиса (ответной реакции системы) и вихревых токов.
• Дополнительные потери, обусловленные зубчатой формулой статора и ротора, в результате чего появляются гармоники магнитного поля.

КПД определяется типом устройства, а диапазон его вариаций – от 10% до 99%. Этот показатель является одним из определяющих для расчета мощности двигателя.

Частота вращения

Параметр определяется как число оборотов, которое совершает двигатель за минуту. Частота вращения используется для расчета мощности двигателя насоса, однако показатель меняется, в зависимости от того, происходят измерения под нагрузкой либо на холостом ходу. Параметр рассчитывается по формуле: n = 30 × ω ÷ pi.

Момент инерции

Критерий демонстрирует степень инертности при движении вокруг своей оси. Основная характеристика представляет собой сумму произведений квадрата расстояния от материальных точек до оси на их массы. Момент инерции рассчитывается формулой J = ∑ r2 × dm, в которой m обозначает массу объекта.

Момент инерции взаимосвязан с моментом силы. Это соотношение выражается следующей формулой: M — J × ε, в которой epsilon – это угловое ускорение, рассчитываемое по формуле dω ÷ dt.

Расчетное (номинальное) напряжение

Термином называют базовое напряжение, под которое спроектирована электрическая сеть. Под номинальным напряжением понимается расчетные величины, спроектированные разработчиком и рассчитанные на работу оборудования в нормальном режиме. Перечень возможных вариантов перечислен в ГОСТ, характеристика всегда указывается в описании механизмов.

Электрическая константа времени

Время, необходимое после подачи на двигатель напряжения, за которое ток может достигнуть 63% от своего максимального финального значения. Значения рассчитываются по формуле te = L ÷ R.

Сравнение параметров внешне коммутируемых двигателей

Рассматривая использование электродвигателей как тяговых компонентов транспортных средств, можно сделать вывод, что в автомобилестроении наиболее целесообразно применение синхронного реактивного электрического двигателя, оснащенного постоянными магнитами. Его применение позволяет достичь высокой мощности и КПД в широком диапазоне. Сравнение проводилось по следующим параметрам:

• Способность сохранять постоянную мощность во всем скоростном диапазоне.
• Момент к току статора.
• КПД во всем диапазоне.
• Вес.

Применение электродвигателей

Электрические двигатели считаются крупнейшими потребителями энергии. Около 45% энергии, потребляемой во всем мире, приходится именно на них. Устройства используются во всех отраслях промышленности, а также нашли широкое применение в быту. Чаще всего двигатели применяются в следующих сферах:

• В промышленности на их основе работают вентиляторы и насосы разной мощности. Без электрических двигателей невозможна работа компрессоров, конвейеров. Кроме того, они используются в качестве движущей силы для других промышленных устройств и оборудования.
• Строительство. Электродвигатели обеспечивают нормальную работу системы отопления, бесперебойную и безопасную работу лифтов. Устройства применяются для оборудования вентиляционных систем, насосов и конвейеров, систем кондиционирования.
• Потребительские товары. С работой электрических двигателей сталкивается каждый потребитель, поскольку они обеспечивают доступность многих благ цивилизации. Например, работа электродвигателя лежит в основе функций, которые выполняют холодильники и бытовые кондиционеры, миксеры, стиральные машины. Без этих агрегатов невозможна работа ноутбуков, поскольку благодаря им обеспечивается система охлаждения.

В таблице приведены основные технологии и устройства, работа которых невозможна без применения электрических двигателей.

Производители

Перечислим некоторые ведущие российские и зарубежные предприятия, которые занимаются производством разных типов электродвигателей. Ведущие российские производители:

• Армавирский электротехнический завод – одно из старейших предприятий, которое занимается выпуском электродвигателей с середины 20 века, постоянно усовершенствуя конструкции.
• Владимирский электромоторный завод, являющийся частью крупного холдинга «Русэлпром», который объединяет несколько крупных российских предприятий, работающих над производством электротехнической продукции. В состав концерна входят также предприятия Санкт-Петербурга, Смоленской области.

Кроме того, на рынке широко востребована продукция зарубежных производителей, таких как General Electric, Emerson Electric и других.

Продукция от ведущих производителей, выпускающих конструкции всех типов, представлена в интернет-магазине «Мир привода». Мы предлагаем только качественные современные агрегаты, отличающиеся простотой и удобством использования, высокой эффективностью. В нашем каталоге можно подобрать устройства для решения любых задач, связанных с бесперебойной работой электрических двигателей.

Библиографический список

• ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
• И.В.Савельев. Курс общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.-М.:Наука, 1970.
• ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) Стандартные напряжения.
• ГОСТ 16264.0-85 Электродвигатели малой мощности
• А.И.Вольдек, В.В.Попов. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов.- СПб.: Питер, 2007.
• Paul Waide, Conrad U. Brunner. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. International Energy Agency Working Paper, Energy Efficiency Series. : Paris, 2011.
• Dr. J. Merwerth. The hybrid-synchronous machine of the new BMW i3 & i8 challenges with electric traction drives for vehicles. BMW Group, Workshop University Lund: Lund, 2014.

Универсальный двигатель – конструкция, работа и характеристики

Универсальный двигатель — это особый тип двигателя, предназначенный для работы от источника постоянного или однофазного переменного тока. Эти двигатели обычно имеют последовательную обмотку (якорь и обмотка возбуждения соединены последовательно) и, следовательно, создают высокий пусковой момент (см. характеристики двигателей постоянного тока здесь). Вот почему универсальные двигатели обычно встроены в устройство, для которого они предназначены. Большинство универсальных двигателей предназначены для работы на более высоких скоростях, превышающих 3500 об/мин. Они работают с более низкой скоростью при питании переменным током, чем при питании постоянным током того же напряжения, из-за падения напряжения реактивного сопротивления, которое присутствует в переменном токе, а не в постоянном.
Существует два основных типа универсального двигателя : (i) компенсированный тип и (ii) некомпенсированный тип

Конструкция универсального двигателя

Конструкция универсального двигателя очень похожа на конструкцию машины постоянного тока. Он состоит из статора, на котором установлены полюса возбуждения. Катушки возбуждения намотаны на полюса возбуждения.
Однако весь магнитный путь (цепь возбуждения статора, а также якорь) ламинирован. Ламинирование необходимо для минимизации вихревых токов, возникающих при работе от сети переменного тока.
Вращающийся якорь намоточный с прямыми или косыми пазами и коллектором с опирающимися на него щетками. Коммутация на переменном токе хуже, чем на постоянном. из-за тока, наведенного в обмотках якоря. По этой причине используемые щетки имеют высокое сопротивление.

Работа универсального двигателя

Универсальный двигатель работает как от постоянного, так и от однофазного переменного тока. Когда универсальный двигатель питается от источника постоянного тока, он работает как серийный двигатель постоянного тока. (см. работу двигателя постоянного тока здесь). Когда ток протекает в обмотке возбуждения, он создает электромагнитное поле. Такой же ток течет и по проводникам якоря. Когда проводник с током помещается в электромагнитное поле, на него действует механическая сила. Благодаря этой механической силе или крутящему моменту ротор начинает вращаться. Направление этой силы определяется правилом левой руки Флеминга.

При питании от сети переменного тока он по-прежнему создает однонаправленный крутящий момент. Поскольку обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены последовательно, они находятся в одной фазе. Следовательно, поскольку полярность переменного тока периодически меняется, направление тока в якоре и обмотке возбуждения одновременно меняется на обратное.
Таким образом, направление магнитного поля и направление тока якоря меняются местами таким образом, что направление силы, действующей на проводники якоря, остается прежним. Таким образом, независимо от источника переменного или постоянного тока, универсальный двигатель работает по тому же принципу, что и серийный двигатель постоянного тока.

Характеристики скорости/нагрузки

Характеристики скорости/нагрузки универсального двигателя аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока. Скорость универсального двигателя низкая при полной нагрузке и очень высокая при холостом ходе. Обычно зубчатые передачи используются для получения требуемой скорости при требуемой нагрузке. Характеристики скорости/нагрузки (как для переменного, так и для постоянного тока) показаны на рисунке.

Применение универсального двигателя

• Универсальные двигатели находят применение в различных бытовых приборах, таких как пылесосы, миксеры для напитков и пищевых продуктов, бытовые швейные машины и т. д.
• Универсальные двигатели более высокой мощности используются в переносных дрелях, блендерах и т. д.

Новое сообщение
Старый пост
Главная

Принцип работы универсального двигателя

 
Универсальный двигатель представляет собой модифицированную форму двигателя постоянного тока и широко используется в бытовой технике, такой как миксеры, и в станках. В этой статье я обсуждаю принцип работы универсального двигателя .
 
Если однофазный источник переменного тока подключен к последовательному двигателю постоянного тока, двигатель вращается по кругу. В течение полупериода тока он будет проходить через последовательную обмотку, а также обмотку якоря в определенном направлении. Его величина, конечно, будет варьироваться от нуля до максимума, а затем снова до нуля. В течение этого полупериода будет создаваться электромагнитный момент. Этот крутящий момент будет вызывать вращение якоря в одном и том же направлении на протяжении всех полупериодов.
 
Теперь в течение следующего полупериода ток через последовательную обмотку и обмотку якоря меняется на противоположное. Поскольку ток как в якоре, так и в возбуждении поменялся на противоположное, крутящий момент, развиваемый в этом полупериоде, будет стремиться вызвать вращение якоря в том же направлении, что и в предыдущем полупериоде. Это означает, что якорь имеет круговое вращение.
 
Крутящий момент в двигателе постоянного тока, T α φ _с л _а
 
, где φ _s — последовательный поток обмотки возбуждения, а la — ток якоря.
 
Кроме того, T α (-φ _s )(- l _a ) для нижнего полупериода.
 
Или T α φ _s l _a
 
Таким образом, двигатель постоянного тока при подключении к однофазной сети переменного тока создает крутящий момент в том же направлении.
 

Конструкция универсального двигателя

 
Конструкция универсального двигателя очень похожа на двухполюсный двигатель постоянного тока. Он состоит из двух катушек возбуждения, намотанных на ламинированном сердечнике, последовательно соединенных с якорем. Железная структура поля, ярма и якоря ламинирована для уменьшения потерь на вихревые токи. Такой двигатель сконструирован таким образом, что он может работать как от сети переменного, так и постоянного тока. По этой причине его называют универсальным двигателем.
 

 
Поскольку обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно, через них проходит один и тот же ток, когда двигатель подключен к источнику переменного или постоянного тока.
 
Магнитные потоки последовательного поля и якоря, создаваемые этим током, реагируют друг с другом и, следовательно, вызывают вращение.
 
Поскольку последовательный магнитный поток поля и ток якоря меняют направление одновременно, крутящий момент всегда действует в одном направлении.
 
Поскольку универсальные двигатели имеют последовательную обмотку, они имеют высокий пусковой момент. Они работают на опасно высокой скорости без нагрузки. Вот почему они всегда напрямую связаны с устройством, которое они производят.
 

Характеристики универсального двигателя

• Типовые скоростно-моментные характеристики универсального двигателя показаны на рисунке. Крутящий момент изменяется пропорционально квадрату тока, а скорость изменяется приблизительно обратно пропорционально току.
• Универсальные двигатели имеют высокую скорость и большой пусковой момент. Поэтому их можно использовать для производства высокоскоростных пылесосов, дрелей, станков и т. д.
• Эффективность будет ниже, чем у соответствующей машины постоянного тока, из-за больших потерь на вихревые токи и влияния коэффициента мощности.

Спасибо, что прочитали о принципе работы универсального двигателя .
 

Однофазные двигатели | Все сообщения

• Асинхронный двигатель с расщепленной фазой работает
• Конденсаторный асинхронный двигатель, рабочий
• Принцип работы двигателя с экранированными полюсами
• Универсальный двигатель, рабочий
• Гистерезис двигателя работает

© http://www.