Универсальный Коллекторный Двигатель: Устройство и Принцип действия

26.05.2020

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) – это электродвигатель, который способен работать как с постоянным, так и переменным током, за что и получил свое название.

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Устройство универсального коллекторного двигателя
2. Принцип работы с постоянным током
3. Принцип работы с переменным током
4. Особенности использования
5. Достоинства и недостатки
6. Основное применение

Устройство универсального коллекторного двигателя

Конструкция такого мотора, практически идентична обычному коллекторному (щеточному) электромотору постоянного тока. Однако здесь, вместо постоянных магнитов используются электромагниты и присутствуют дополнительные решения для работы с переменным током. Основными частями конструкции все также остаются ротор и статор.

Статор — это часть, которая не двигается (статична).

Статор содержит в себе:

• Корпус
• Обмотки
• Проводку
• Щетки

Ротор — это вращающаяся с валом часть.

Ротор состоит из следующих основных деталей:

• Вал
• Коллекторный узел
• Обмотки ротора
• Сердечник из тонких пластин

Теперь давайте рассмотрим то, что делает этот мотор таким особенным – принцип действия.

Принцип работы с постоянным током

При подключении к источнику постоянного тока, двигатель работает как обычный коллекторный двигатель постоянного тока. Катушки статора подключаются к источнику питания и последовательно соединены через щетки к коллекторному узлу ротора, через которые ток поступает на его обмотки.

Щетки подключены к разным полукольцам коллектора, благодаря чему с каждой стороны проходит однонаправленный ток. Вследствие этого возникают магнитные поля и под их воздействием ротор начинает вращение. Вращающий момент всегда направлен в одну сторону и ротор продолжает вращаться.

В этом режиме электромотор имеет самый высокий КПД, Ближайшей альтернативой в работе с источником постоянного тока является бесколлекторный двигатель, однако из-за применения в нем постоянных магнитов его максимальный момент будет гораздо меньшим.

Принцип работы с переменным током

Для работы с переменным током используют принцип последовательного возбуждения обмоток. Такая схема позволяет подсоединять обмотки статора последовательно с обмотками ротора (как описывалось выше). И по ним всегда будет двигаться ток одной и той же фазы. Возникающие магнитные силы также будут вращать ротор в одном направлении.

Благодаря этому виду подключения смена полюсов магнитных полей на обмотках выполняется практически одновременно, а значит итоговый момент будет также иметь одно направление.

Главное преимущество такой схемы — это большой максимальный момент. С другой стороны, возникают большие обороты на холостом ходу, способные повредить мотор при включении без нагрузки.

Однако если подключить к переменному источнику питания стандартный коллекторный мотор, то он не будет работать, так как будут возникать переменные магнитные поля и вызывать сильные потери в магнитопроводе из-за вихревых токов Фуко.

Чтобы избежать этих потерь, статор изготавливают из набора специальных изолированных тонких пластин, а обмотку разделяют на секции. Таким способом удается эффективно бороться с перемагничиванием. Для уменьшения искрения и воздействия электродвижущей силы двигатель оснащается щётками, которые обладают высоким сопротивлением.

Чтобы поменять направление вращение надо перемкнуть (переплюсовать) обмотки либо ротора, либо статора. При работе с переменным источником, общий КПД будет гораздо ниже.

Особенности использования

Как мы выяснили выше, основными особенностями, которые делают этот мотор уникальным, в сравнении с асинхронными и синхронными видами: это его способность работать с постоянным и переменным током, а также возможность работать на чрезвычайно большой скорости оборотов (от 8000 и даже до 20000 об/мин. ).

Обратной стороной медали будет его маломощность высокий уровень шума, радиопомех и искрения, что ограничивает его использование в некоторых сферах. Давайте рассмотрим все плюсы и минусы подробнее.

Достоинства и недостатки

Универсальный мотор, благодаря особенностям принципа действия имеет свои особенности и недостатки

Достоинства:

1. Высокий пусковой момент. Устройство может быстро набрать большое количество оборотов как в холодном, так и горячем состоянии.
2. Высокая удельная мощность. Универсальный мотор может работать с большей выходной мощностью чем аналоги, того же размера.
3. Небольшая цена. Стоимость мотора чуть выше чем обычного коллекторного и меньше чем бесколлекторного.
4. Простота конструкции. Несложное устройство обеспечивает простоту обслуживания и ремонта.
5. Большой общий рабочий ресурс. Основные детали довольно долговечны (за исключением щеток).
6. Портативность. Небольшие размеры электромотора позволяют использовать его в самых малых приборах (дрель).
7. Простота управления. Мотор может регулироваться простым изменением напряжения.

Недостатки:

1. Шум и вибрация. В основном возникает из-за работы щеток на высоких оборотах.
2. Низкая эффективность. КПД устройств лежит в диапазоне 55-80%, при работе с переменным током он меньше чем с постоянным.
3. Неэффективен при работе с малым напряжением. Устройство практически бесполезно при работе с напряжением до 100В.
4. Щетки быстро изнашиваются. Из-за постоянного контакта щеток с коллектором требуется их периодическая замена или ремонт.
5. Доп. оборудование для некоторых задач. Эффективные конструкции имеют низкий момент и быстроходность, поэтому иногда необходим дополнительный редуктор.

Основное применение

Универсальный тип электродвигателя как мы выяснили это простой, недорогой и высокоскоростной мотор. Возможность работы на высоких оборотах подключаясь к однофазной сети переменного тока, сделало их очень популярными в бытовой технике. В промышленности этот тип также часто используется, однако его эффективность подходит далеко не всем.

Основные устройства применения универсального электромотора:

• Дрели и шуруповерты
• Миксеры и блендеры
• Вентиляторы
• Пылесосы
• Насосы
• Швейные машины
• Стеклоочистители

Такой мотор используется в первую очередь в оборудовании, где уровень шума некритичен и важны большие обороты вращения. На сайте eltaltd.com.ua вы сможете найти большой каталог в категории Электродвигатели. Там вы сможете найти товары таких известных брендов как Siemens, ABB, Lenze и много других

Подписывайтесь на наши обновления:

Универсальный двигатель

Дмитрий Левкин

• Конструкция
• Принцип работы

• Особенности




• Области использования

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Универсальный двигатель

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением.

Возможность работы универсального двигателя от сети переменного тока объясняется тем, что при изменении полярности подводимого напряжения изменяются направления токов в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. При этом изменение полярности полюсов статора практически совпадает с изменением направления тока в обмотке якоря. В итоге направление электромагнитного вращающего момента не изменяется:

,

• где M — электромагнитный момент, Н∙м,
• – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
• – ток в обмотке якоря, А,
• Ф — основной магнитный поток, Вб.

В качестве универсального используют двигатель последовательного возбуждения, у которого ток якоря является и током возбуждения, что обеспечивает почти одновременное изменение направления тока в обмотке якоря I_а и магнитного потока возбуждения Ф при переходе от положительного полупериода переменного напряжения сети к отрицательному.

Если двигатель подключить к сети синусоидального переменного тока, то ток якоря I_a и магнитный поток Ф будут изменяться по синусоидальному закону:

,

• где i — ток, А,
• – амплитуда тока, А,
• – частота, рад/c.

,

• где – наибольшее значение магнитного потока, Вб,
• – угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный магнитными потерями в двигателе, рад.

Отсюда получим формулу электромагнитного момента коллекторного двигателя последовательного возбуждения, включенного в сеть синусоидального переменного тока, Нм:

.

После преобразования:

.

Первая часть выражения представляет собой постоянную составляющую электромагнитного момента M_пост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента М_пер, изменяющуюся во времени с частотой, равной удвоенной частоте напряжения питания.

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Способы подключения универсального электродвигателя к сети питания:
• прямое подключение к сети питания
• подключение серез автотрансформатор
• подключение через регулятор
  • симисторный
  • транзисторный

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Смотрите также

Основные параметры электродвигателя

Общие параметры для всех электродвигателей

• Момент электродвигателя
• Мощность электродвигателя
• Коэффициент полезного действия
• Номинальная частота вращения

• Момент инерции ротора
• Номинальное напряжение
• Электрическая постоянная времени

Библиографический список

• ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
• Е.В.Арменский, Г.Б.Фалк. Электрические микромашины. Изд. 2-е, перераб. и доп.: Учеб. пособие для электротехн. специальностей вузов.- М.: Высш. школа, 1975.
• М.М.Кацман. Электрические машины и электропривод автоматических устройств: Учебник для электротехнических специальностей техникумов.- М.: Высш. шк., 1987.

Что такое универсальный двигатель? Как это работает?

04.06.2020

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Основные части универсального двигателя
2. Как работает универсальный двигатель на постоянном токе?
3. Как универсальный двигатель работает с источником переменного тока
4. Универсальные двигатели и двигатели постоянного тока (Преимущества и недостатки)
5. Где используется универсальный двигатель?

Основные части универсального двигателя

Основная конструкция такого двигателя практически идентична обычному щеточному двигателю постоянного тока. Мы описали принцип его работы в следующей статье: Коллекторный и бесколлекторный двигатели. Однако он содержит магниты электромагнитного типа вместо постоянных и имеет дополнительные опции для работы с переменным током.

Основными частями его конструкции являются ротор и статор.

Статор — неподвижная часть.

Содержит несколько основных деталей:

1. Ламинированный корпус
2. Катушки возбуждения
3. Проводка от источника
4. Щетки

Ротор (якорь) является вращающейся частью.

Состоит из следующих основных деталей:

1. Вал
2. Коллектор
3. Обмотки ротора

Давайте посмотрим, что делает универсальный тип таким особенным, и опишем принцип его работы.

Как универсальный двигатель работает от постоянного тока?

При подключении к источнику постоянного тока работает как обычный двигатель постоянного тока со щетками.

Электроэнергия от источника поступает в обмотку статора (катушки возбуждения), через щетки попадает в коллектор и далее поступает в обмотки якоря. Каждая из щеток одновременно подключена к разным сегментам коммутатора и электричество через каждую из них проходит в одном направлении.

Следовательно, магнитные потоки будут действовать и в одном направлении. В свою очередь крутящий момент ротора также будет однонаправленным. Следовательно, он начинает вращаться (по или против часовой стрелки).

В таком режиме электродвигатель имеет наивысший КПД. Наиболее похожей альтернативой для работы с источником постоянного тока является двигатель BLDC. Однако из-за общего использования в нем постоянных магнитов его максимальный крутящий момент намного ниже, чем у универсальных типов.

Принцип работы универсального двигателя с источником переменного тока

Когда универсальный двигатель работает на переменном токе, также используется последовательное соединение обмоток. Он связывает обмотки ротора и статора (как описано выше). Таким образом, нет никакой разницы между универсальным двигателем переменного и постоянного тока.

Однако в случае переменного тока он будет течь в разных направлениях в противоположных катушках. Поэтому используется последовательное соединение. Благодаря такому типу схемы смена полюсов и, следовательно, магнитных потоков в обмотках происходит практически одновременно.

Поскольку магнитные потоки действуют в одном направлении, следовательно, действие крутящего момента также однонаправлено. Ротор всегда будет вращаться одинаково, несмотря на пульсирующий ток.

Однако, если вы подключите обычный двигатель постоянного тока к источнику переменного тока, он не будет работать. Это происходит из-за флуктуирующего магнитного поля и больших потерь на вихревые токи Фуко.

Во избежание этих явлений статор выполнен из набора специальных тонких ламинированных пластин, а обмотка разделена на несколько секций.

Работа с переменным током также вызывает возникновение электродвижущей силы и сильное искрение на щетках двигателя. Поэтому контактные щетки должны быть изготовлены из материала с высоким сопротивлением.

Внимание! Когда двигатель работает с переменным током, его общий КПД будет намного ниже. Поэтому всегда нужно проверять значение КПД в спецификациях отдельно для переменного и постоянного тока.

Хорошо, как он вращается понятно, но как изменить направление вращения универсального двигателя? Это очень просто. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами соединения обмоток либо ротора, либо статора.

Универсальные двигатели по сравнению с двигателями постоянного тока (Преимущества и недостатки)

Универсальные двигатели имеют несколько уникальных вариантов конструкции, описанных выше. Эти особенности дают свои плюсы и минусы по сравнению с обычными аналогами постоянного тока или индукции. Давайте рассмотрим их подробно.

Основные преимущества:

1. Высокий пусковой момент . Механизм может быстро начать работать на сверхвысоких оборотах (до 8000 и даже до 20 000 об/мин) как при горячем, так и при холодном пуске.
2. Высокая удельная мощность . Он может работать с вдвое большей выходной мощностью, чем индуктивный аналог того же размера.
3. Низкая цена . Стоимость мотора немного выше обычного щеточного и совсем меньше бесколлекторного.
4. Простая конструкция . Простая конструкция обеспечивает легкость обслуживания и ремонта.
5. Хороший срок службы . Основные детали достаточно прочные (кроме щеток).
6. Портативность . Небольшие размеры позволяют использовать его в самых маленьких устройствах (фенах).
7. Работа без постоянного контроля . Двигатель можно отрегулировать, просто изменив напряжение с помощью преобразователя частоты.

Основные недостатки:

1. Шум и вибрация . Это происходит из-за того, что щетки трутся о участки якорного коллектора на высоких оборотах.
2. Низкая эффективность . Его КПД находится в диапазоне 55-80% и зависит от типа источника (постоянный/переменный).
3. Неэффективен при низком напряжении . КПД значительно снижается при работе с напряжением до 100В.
4. Щетки быстро перегорают . Из-за прямого контакта щеток с коллектором они требуют периодической замены или ремонта.

Где используется универсальный двигатель?

Универсальный электродвигатель, как мы выяснили, является простым, недорогим и быстроходным типом двигателя.

Возможность работы на чрезвычайно высокой скорости при подключении к однофазной сети переменного тока сделала их очень популярными в бытовой технике. Кроме того, он имеет миниатюрные размеры и может использоваться в компактных бытовых устройствах. В промышленных отраслях это оборудование также часто используется, но его эффективность подходит не всем.

Вот наиболее распространенные применения:

• Строилы и отвертки
• Смешков и блендеров
• вентиляторы и фен. используется преимущественно в местах, где уровень шума не критичен, но важны высокие обороты. Eltra Trade является надежным поставщиком продуктов автоматизации, и вы можете найти большой каталог двигателей таких марок, как Siemens, Lenze, ABB и т. д. на нашем веб-сайте. Проверить!

  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.
  Якорь поворотный 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.