Универсальный коллекторный двигатель устройство и принцип действия: Универсальный коллекторный двигатель устройство и принцип действия

Содержание

Универсальный коллекторный двигатель устройство и принцип действия

Конструкция универсального электродвигателя

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.

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].

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 .

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.

Особенности универсального двигателя

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].

Области использования

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.

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

  • Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
  • Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

  1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
  2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
  3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

  • Якорь. Состоит из металлического вала, на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
  • Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;
  • Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
  • Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

  • Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
  • Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
  • Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

  • Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
  • Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
  • Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести к выходу его из строя.

  • Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

  1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
  2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
  3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
  4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;
  1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
  2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.

Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис.) основан на следующем: если проводник с током — рамку прямоугольной формы, имеющую ось вращения, — поместить между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в рамке. Ток в рамку от источника постоянного тока может подаваться через контакты-полукольца, прикрепленные к концам рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис, а). Отметим, что вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, а неподвижная — статором.
Контакты-полукольца обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т. е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. У реальных коллекторных двигателей таких рамок много, поэтому вся контактная окружность делится уже не на две, а на большее количество контактов.

Рис.. Коллекторный электродвигатель: а — принцип действия; б — учебный коллекторный двигатель; в — якори учебных коллекторных двигателей; г — якорь реального электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовляют из меди, а щетки — из графита. Простейший ремонт электродвигателя заключается в замене щеток, запасной комплект которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные электродвигатели имеют широкое применение

Коллекторные электродвигатели. Они названы по одному из узлов ротора — коллектору (цилиндр, набранный из изолированных пластинок меди, к которому припаяны концы проводов обмотки). С коллектором соприкасаются щетки статора. Коллектор подводит ток к обмотке ротора, последовательно соединенной с обмоткой статора.

Коллекторные электродвигатели отличаются высокой скоростью вращения ротора, поэтому их используют в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины, и др. Они имеют малые массу и габаритные размеры. Для бытовых машин в основном применяют универсальный встраиваемый коллекторный электрический двигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Существуют двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают большие скорости вращения без нагрузки, поэтому их пуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего приводимые в движение части машины насаживают непосредственно на вал двигателя, например вентилятор у пылесоса.

В процессе эксплуатации коллекторных двигателей проявляются такие их недостатки, как повышенный уровень шума, создание помех радиоприему, искрение и выход из строя угольных щеток, сложность ухода. Такие двигатели являются менее надежными, слож­ными в производстве и дорогостоящими. Однако они имеют и ряд существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря которым и используются в бытовых машинах. Это хорошие пусковые данные, возможность получения больших скоростей вращения (до 25000 об/мин) и плавной регулировки скорости в широких пределах, универсальность.

Эффективность работы двигателя в бытовых приборах зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, который обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работу (фены, миксеры и др.), чтобы исключить перегрев двигателя и выход его из строя.

По способу охлаждения двигатели подразделяются на двигатели с естественным и искусственным охлаждением. Кроме того, необходимо вентилирующее приспособление, особенно независимое, которое следует поддерживать в рабочем состоянии.

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

Универсальный двигатель — вращающийся электродвигатель, который может работать при питании от сети как постоянного, так и однофазного переменного тока [1].

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 Iа 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 Ia 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 Mпост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента Мпер, 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.

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

Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

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).

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.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

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

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

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

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

Положительные черты:

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

Минусы:

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

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

  • высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
  • низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
  • поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
  • работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

  • не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
  • малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
  • высокий момент силы на низкой частоте вращения;
  • простое и динамичное управление.

характеристика, конструкция электродвигателя переменного тока, ремонт

Практически все виды электрооборудования оснащены мощными элементами с механической коммутацией. Их слаженная работа зависит от универсального коллекторного двигателя, который прекрасно справляется с различными нагрузками. Но чтобы такой агрегат исправно служил, нужно тщательно изучить не только его конструктивные особенности, но и принцип действия.

Краткая характеристика устройства

Специалисты привыкли называть коллекторным двигателем те электрические машины, где переключатель тока и датчик ротора — это один и тот же элемент. Именно он обеспечивает надёжное соединение разных цепей в неподвижном отсеке агрегата с ротором.

Его конструкция состоит из мощных щёточек (это специфические контакты скользящего типа, которые расположены возле вращающейся части мотора) и коллектора (эта деталь установлена производителем на движимом узле механизма).

К основным преимуществам такого элемента можно смело отнести то, что высококачественный двигатель прост в уходе и эксплуатации, поддаётся ремонту и имеет большой рабочий ресурс. Среди недостатков сами производители выделяют то, что агрегат имеет небольшой вес и большой процент КПД. Конечно, чаще всего два этих показателя являются положительными, но не в этой ситуации.

Сочетание быстроходности (может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту) и низкой массы чревато тем, что для нормальной эксплуатации потребителю нужно дополнительно приобретать хороший редуктор. Если же машина будет перестроена на меньшую скорость, то уровень КПД может серьёзно упасть, из-за чего возникают проблемы с качественным охлаждением.

Разновидности модельного ряда

Коллекторный мотор — это вращающаяся электрическая машина переменного тока, которая легко преобразует постоянный ток в механическую энергию. Минимум одна обмотка, которая участвует в этом процессе соединена с главным коллектором.

Практически каждая модель состоит из таких элементов:

  1. Качественный статор двухполюсного типа на постоянных магнитах.
  2. Профессиональный трёхполюсной ротор на специфических подшипниках с эффектом скольжения.
  3. Медные пластины, которые используются в качестве щёток для коллекторного мотора.

Стоит отметить, что этот набор является минимальным, из-за чего часто встречается в бюджетных моделях. Это касается и детских игрушек, где не нужна большая рабочая мощность.

В комплектацию более качественных изделий обычно добавляют ещё несколько элементов:

  • Многополюсной ротор на специальных подшипниках качения.
  • Четыре щётки из графита, которые представлены в виде коллекторного агрегата.
  • Статор с четырьмя полюсами, который состоит из постоянных магнитов.

Такие агрегаты принято использовать в современных автомобилях для обустройства высококачественного привода для вентилятора системы охлаждения и вентиляции, дворников и насосов омывателей лобового стекла. Конечно, в продаже можно встретить и более сложные агрегаты, которые отличаются не только эксплуатационными характеристиками и сферой применения, но и ценой.

Если мощность электродвигателя находится в пределах нескольких сотен ватт, то в его комплектацию обязательно входит четырехполюсной статор, который изготовлен из специальных магнитов. А вот качественное подключение обмотки может быть выполнено по одному из следующих способов:

  • Параллельно. В условиях колеблющейся нагрузки все обороты остаются стабильными, но вот максимальный момент немного снижен.
  • Последовательно с ротором. Этот вариант отличается тем, что максимальный момент приобретает довольно внушительные показатели, но присутствует большой риск поломки мотора, так как агрегат эксплуатируется пользователем на больших оборотах.
  • Независимое возбуждение от отдельного источника питания. Для этой ситуации используются те же самые характеристики, которые свойственны параллельному типу подключения. Стоит отметить, что этот вариант применяется специалистами крайне редко.
  • Смешанный тип возбуждения, когда определённая часть имеющейся обмотки подключается последовательно, а вторая часть — параллельно. В этой конфигурации удачно совмещены все преимущества предыдущих вариантов. Такой тип подключения идеально подходит для автомобильных стартеров.

Но известные производители предусмотрели наличие универсальных коллекторных двигателей. Ключевая их особенность состоит в том, что они отлично работают как на постоянном, так и на переменном токе. Их активно эксплуатируют в бытовой технике, электроинструментах, а также в составах железнодорожного транспорта.

Такая популярность обусловлена тем, что они имеют достаточно небольшой вес и размер. Помимо этого, их цена более чем доступна и каждый пользователь может самостоятельно установить необходимое для работы количество оборотов. За счёт этого коллектор электродвигателя относится к категории устройств переменного тока, он показывает отличные результаты и с нестабильными источниками энергии.

Составляющие элементы конструкции

Чтобы максимально правильно разобраться с особенностями устройства коллекторного электродвигателя, нужно изучить все комплектующие детали этого агрегата. Ведь само устройство представлено в виде прибора постоянного тока, где присутствуют последовательно включённые обмотки возбуждения. Они предназначены для работы на переменном токе бытовой электросети.

В независимости от полярности двигатель всегда вращается только в одну сторону. Такая особенность связана с тем, что последовательное соединение обмоток ротора и статора приводит к одновременной смене магнитных полюсов. В результате этого результирующий момент направляется исключительно в одну и ту же сторону.

Высокая эффективность использования коллекторного электродвигателя обусловлена наличием следующих элементов:

  • Статор — это неподвижная часть установки.
  • Якорь — неотъемлемая деталь коллекторного агрегата, в котором происходит индуктирование электродвижущей силы и протекает ток нагрузки. Стоит отметить, что в качестве якоря может выступать как статор, так и ротор.
  • Индуктор — специализированная система возбуждения. Эта деталь создаёт магнитный поток для своевременного образования крутящегося момента. Индуктор обязательно оснащается обмоткой возбуждения или же постоянными магнитами. Сама деталь может выступать в качестве неотъемлемой части статора или ротора.
  • Ротор — вращающийся элемент машины.
  • Коллектор — базовая часть мотора, которая контактирует со щётками (две эти детали распределяют электрический ток по катушкам обмотки якоря).
  • Щётки — это составляющая часть цепи, по которой передаётся электроэнергия от источника питания к якорю. Эти элементы выпускаются из прочного графита. Двигатель постоянного тока может содержать от одной пары щёток и более.

Функциональные возможности мотора

Схема устройства коллекторного двигателя прекрасно демонстрирует, как этот агрегат преобразует электричество в механическую энергию и в обратном порядке. Это говорит о том, что такое устройство может использоваться даже в качестве генератора. Когда ток проходит сквозь проводник, который расположен в магнитном поле, то на него воздействуют определённые силы. При этом активно работает правило правой руки, оказывающее непосредственное влияние на итоговую мощность двигателя. Коллекторный агрегат функционирует именно по такому принципу.

В стандартной схеме чётко показано, что в магнитное поле помещена одна пара проводников, ток которых направлен в разные стороны так же, как и силы. Образуемая ими сумма даёт необходимый для оборудования крутящийся момент. В коллекторном двигателе производители добавили ещё и целый комплекс дополнительных узлов, которые гарантируют идентичное направление тока над полюсами.

За счёт того, что на якоре расположено ещё несколько катушек, полностью устранилась неравномерность хода. Помимо этого, у мастеров больше нет необходимости задействовать постоянный ток, так как обычные магниты были заменены на более мощные катушки. На финальном этапе производства крутящийся момент принял единое направление.

Плюсы и минусы эксплуатации

Для сравнения квалифицированные специалисты использовали следующие параметры: оба агрегата подключили к домашней электросети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Мощность мотора устройств полностью идентична. Итоговая разность в механических параметрах может выступать как огромный плюс, так и как минус (всё зависит только от того, какие требования предъявляет пользователь к приводу).

Коллекторный двигатель обладает следующими преимуществами над агрегатом постоянного тока:

  1. Меньший показатель пускового тока, что особенно важно для той техники, которая используется потребителями в быту.
  2. Агрегат можно включать напрямую в сеть, полностью отсутствует необходимость в установке вспомогательных приспособлений. А вот агрегат с постоянным током нуждается в непрерывном выпрямлении.
  3. Быстроходность и полное отсутствие зависимости от сетевой частоты.
  4. Если есть управляющая схема, то устройство коллектора получается более простым — тиристор и реостат. Когда электронная деталь выходит из строя, то сам агрегат остаётся в рабочем состоянии (но будет эксплуатироваться на полную мощность).

Не стоит забывать о недостатках, которые должны быть тщательно изучены каждым потребителем ещё до покупки агрегата. Только в этом случае можно быть уверенным в соответствии устройства всем предъявленным требованиям.

Коллекторный электродвигатель обладает следующими минусами:

  1. Общий процент КПД существенно снижен, так как присутствует индуктивность и потери на перемагничивание статора.
  2. Существенно уменьшен максимальный крутящийся момент.
  3. Относительно небольшая надёжность и непродолжительный эксплуатационный срок.

Любые изменения в настройках возможны только в том случае, если в агрегате предусмотрено наличие регулятора оборотов. Разное количество подаваемой электроэнергии может менять этот показатель всего на 10%. В то время как качественный регулятор оборотов позволяет уменьшить их количество в несколько раз. Сделать такое приспособление можно самостоятельно или купить в специализированном магазине. Но нужно проверить, сможет ли оно работать в коллекторе с определённой мощностью и количеством оборотов. Если же регулятор будет слабым, то он просто сломается.

Ремонт двигателя в домашних условиях

Как и любое другое устройство, коллектор может выйти из строя в самый неподходящий момент. Если электродвигатель не набирает заданное количество оборотов или же после старта не начинает крутиться вал, тогда нужно проверить работоспособность предохранителей. Проблема также может быть вызвана обрывом в цепи якоря и перегрузкой устройства. Довольно часто нерациональное использование агрегата приводит к потреблению силы тока повышенного значения. Устранить эту неисправность можно только после осмотра тормоза и механической части.

Если во время работы агрегат не выдаёт номинальное количество оборотов, то это может быть вызвано недостаточным сетевым напряжением, перегрузкой, а также большим возбуждающим током. Если пользователь заметил неработоспособность обратного типа, тогда необходимо проверить электрическую цепь, а также устранить все образовавшиеся дефекты. В некоторых случаях агрегат начинает функционировать только после перемотки двигателя.

Когда устройство не работает из-за ошибочного сопряжения параллелей и последовательной обмотки возбуждения, тогда пользователю необходимо восстановить правильный порядок соединений.

Не стоит забывать о регулярной проверке величины напряжения в электросети, так как обороты двигателя могут существенно возрастать.

Универсальный коллекторный двигатель


Универсальный двигатель

Дмитрий Левкин

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.

Принцип работы универсального двигателя

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 Iа 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 Ia 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 Mпост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента Мпер, 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.

Особенности универсального двигателя

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].

Области использования

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

Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

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).

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.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

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

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

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

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

Положительные черты:

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

Минусы:

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

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

  • высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
  • низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
  • поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
  • работа без нагрузки приводит к поломке КД.
Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

  • не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
  • малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
  • высокий момент силы на низкой частоте вращения;
  • простое и динамичное управление.

Коллекторный электродвигатель: достоинства, недостатки, область применения

Мы часто встречаемся с электродвигателями. Они обеспечивают работу бытовой и строительной техники, являются составной частью производственного оборудования. Немалая часть устройств имеет в составе коллекторный двигатель. Это один из простых и недорогих движков, который имеет хорошие характеристики. Именно этим, да ещё невысокой ценой, обусловлена его популярность. 

Что такое коллекторный двигатель и его особенности

Коллектором называют часть двигателя, контактирующую со щётками. Этот узел обеспечивает передачу электроэнергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным называется двигатель, у которого хотя бы одна обмотка ротора соединена со щётками и коллектором. Коллекторные электродвигатели бывают:

  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • универсальные.

Коллекторный двигатель может быть постоянного и переменного тока. Есть универсальные модели, которые могут работать от источника напряжения любого типа

Последние универсальные, работают как от постоянного, так и от переменного тока. Они сохраняют популярность, даже несмотря на то, что наличие щёток отрицательный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техническое обслуживание. К плюсам коллекторных двигателей относят возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, невысокую стоимость.

Как и другие электромоторы, коллекторный состоит из статора и ротора (часто называют «якорь»). Его отличительной чертой является наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электропитание. Устройство коллекторных моторов постоянного и переменного тока похожи, но имеют определённые отличия, потому рассмотрим подробнее их по отдельности.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.

Коллекторный двигатель: устройство

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

Ротор коллекторного двигателя

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

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

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

Так выглядит ротор коллекторного двигателя

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

Как устроен коллекторный узел и как он работает

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

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

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

К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки

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

Принцип 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.

Обмотки на роторе подключаются к пластинам коллектора. Когда с пластинами контактируют щетки, получаем замкнутый контур, по которому течет ток

Если немного вдуматься, можно понять, почему коллекторный двигатель позволяет легко и плавно регулировать скорость. Чем больше напряжение подается на обмотки ротора, тем более мощное поле генерирует статор, тем сильнее их взаимодействие и быстрее крутится ротор, так как его толкают с большей силой. Если напряжение уменьшить, взаимодействие меньше, результирующая скорость вращения тоже. Так что все что нужно регулировать напряжение, а это может даже простой потенциометр (переменное сопротивление).

Достоинства и недостатки

Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:

  • Простое устройство.
  • Высокая скорость до 10 000 об/мин.
  • Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
  • Невысокая стоимость.
  • Возможность регулировать скорость в широких пределах.
  • Невысокие пусковые токи и нагрузки.

Схема коллекторного двигателя

Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

  • Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
  • Искрение щёток, их износ.
  • Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
  • Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
  • Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.

В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

  • постоянные магниты;
  • обмотки возбуждения.

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.

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:

  • Независимое. Возможно только если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре неравны (бывает очень редко). Если они равны, используется схема параллельного возбуждения.
  • Параллельное. Хорошо регулируется скорость, стабильная работа на низких оборотах, постоянные характеристики, независимы от времени. К недостаткам подключения этого типа относится нестабильность двигателя при падении тока индуктора ниже нуля.
  • Последовательное. При таком подключении нельзя включать двигатель с нагрузкой на валу ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки скорость вращения сильно возрастает, что может разрушить двигатель. Потому с ременной передачей такой тип подключения не используют, при обрыве ремня мотор разрушается. Схема последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах, но не слишком хорошо работает на высоких, управлять скоростью сложно.
  • Смешанное. Считается одним из лучших. Хорошо управляется, имеет высокий крутящий момент на низких оборотах, редко выходит из-под контроля. Из недостатков самая высокая цена по сравнению с другими типами.

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.

Универсальные коллекторные двигатели

Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).

Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения

По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:

  • Схема возбуждения всегда последовательная.
  • Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
  • Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Достоинства и недостатки

Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:

  • Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
  • Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
  • Создают радиопомехи.
  • Повышенный уровень шума при работе.

Во многих моделях строительной техники

Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.

Универсальный коллекторный двигатель — это… Что такое Универсальный коллекторный двигатель?

Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

Универсальный коллекторный двигатель (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.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель 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.

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.

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.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 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 в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

  • Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
  • Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
  • Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

  • Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
  • Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

  • Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
  • Компактность (даже с учётом редуктора).
  • Больший пусковой момент.
  • Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
  • Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем:

  • Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
  • Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
    • Относительно малая надёжность (срок службы)
    • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи
    • Высокий уровень шума
    • Относительно большое число деталей коллектора (и соответственно двигателя)

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Сравнение с асинхронным двигателем

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

  • УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
  • Асинхронный двигатель — «жёсткая» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до полного торможения) момент двигателя не растёт, а даже падает, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.

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).

Аналоги без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике 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.

Применение

Ручной электроинструмент:

Бытовая техника:

См. также

  • Вентильный электродвигатель
  • Электродвигатель

Ссылки

Коллекторный двигатель: Устройство, виды и принцип работы

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая  электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

  • Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
  • Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат  отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

  1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
  2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
  3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

  • Якорь. Состоит из металлического вала,  на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
  • Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;

Читайте также:  Двигатель Д 240: Устройство и технические характеристики

  • Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
  • Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает  подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

  • Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
  • Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
  • Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

  • Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка  ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
  • Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
  • Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести  к выходу его из строя.

  • Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

Плюсы

  1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
  2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки  для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
  3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
  4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

Недостатки

  1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
  2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Читайте также:  Двигатель 1ZZ: Характеристики двигателя

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор  преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.



Принцип работы универсального коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель постоянного и переменного тока

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

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).

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.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

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

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

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

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

Положительные черты:

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

Минусы:

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

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

  • высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
  • низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
  • поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
  • работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

  • не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
  • малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
  • высокий момент силы на низкой частоте вращения;
  • простое и динамичное управление.

Применение универсального коллекторного двигателя 220В

Практически все виды электрооборудования оснащены мощными элементами с механической коммутацией. Их слаженная работа зависит от универсального коллекторного двигателя, который прекрасно справляется с различными нагрузками. Но чтобы такой агрегат исправно служил, нужно тщательно изучить не только его конструктивные особенности, но и принцип действия.

Краткая характеристика устройства

Специалисты привыкли называть коллекторным двигателем те электрические машины, где переключатель тока и датчик ротора — это один и тот же элемент. Именно он обеспечивает надёжное соединение разных цепей в неподвижном отсеке агрегата с ротором.

Его конструкция состоит из мощных щёточек (это специфические контакты скользящего типа, которые расположены возле вращающейся части мотора) и коллектора (эта деталь установлена производителем на движимом узле механизма).

К основным преимуществам такого элемента можно смело отнести то, что высококачественный двигатель прост в уходе и эксплуатации, поддаётся ремонту и имеет большой рабочий ресурс. Среди недостатков сами производители выделяют то, что агрегат имеет небольшой вес и большой процент КПД. Конечно, чаще всего два этих показателя являются положительными, но не в этой ситуации.

Сочетание быстроходности (может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту) и низкой массы чревато тем, что для нормальной эксплуатации потребителю нужно дополнительно приобретать хороший редуктор. Если же машина будет перестроена на меньшую скорость, то уровень КПД может серьёзно упасть, из-за чего возникают проблемы с качественным охлаждением.

Разновидности модельного ряда

Коллекторный мотор — это вращающаяся электрическая машина переменного тока, которая легко преобразует постоянный ток в механическую энергию. Минимум одна обмотка, которая участвует в этом процессе соединена с главным коллектором.

Практически каждая модель состоит из таких элементов:

  1. Качественный статор двухполюсного типа на постоянных магнитах.
  2. Профессиональный трёхполюсной ротор на специфических подшипниках с эффектом скольжения.
  3. Медные пластины, которые используются в качестве щёток для коллекторного мотора.

Стоит отметить, что этот набор является минимальным, из-за чего часто встречается в бюджетных моделях. Это касается и детских игрушек, где не нужна большая рабочая мощность.

В комплектацию более качественных изделий обычно добавляют ещё несколько элементов:

  • Многополюсной ротор на специальных подшипниках качения.
  • Четыре щётки из графита, которые представлены в виде коллекторного агрегата.
  • Статор с четырьмя полюсами, который состоит из постоянных магнитов.

Такие агрегаты принято использовать в современных автомобилях для обустройства высококачественного привода для вентилятора системы охлаждения и вентиляции, дворников и насосов омывателей лобового стекла. Конечно, в продаже можно встретить и более сложные агрегаты, которые отличаются не только эксплуатационными характеристиками и сферой применения, но и ценой.

Если мощность электродвигателя находится в пределах нескольких сотен ватт, то в его комплектацию обязательно входит четырехполюсной статор, который изготовлен из специальных магнитов. А вот качественное подключение обмотки может быть выполнено по одному из следующих способов:

  • Параллельно. В условиях колеблющейся нагрузки все обороты остаются стабильными, но вот максимальный момент немного снижен.
  • Последовательно с ротором. Этот вариант отличается тем, что максимальный момент приобретает довольно внушительные показатели, но присутствует большой риск поломки мотора, так как агрегат эксплуатируется пользователем на больших оборотах.
  • Независимое возбуждение от отдельного источника питания. Для этой ситуации используются те же самые характеристики, которые свойственны параллельному типу подключения. Стоит отметить, что этот вариант применяется специалистами крайне редко.
  • Смешанный тип возбуждения, когда определённая часть имеющейся обмотки подключается последовательно, а вторая часть — параллельно. В этой конфигурации удачно совмещены все преимущества предыдущих вариантов. Такой тип подключения идеально подходит для автомобильных стартеров.

Но известные производители предусмотрели наличие универсальных коллекторных двигателей. Ключевая их особенность состоит в том, что они отлично работают как на постоянном, так и на переменном токе. Их активно эксплуатируют в бытовой технике, электроинструментах, а также в составах железнодорожного транспорта.

Такая популярность обусловлена тем, что они имеют достаточно небольшой вес и размер. Помимо этого, их цена более чем доступна и каждый пользователь может самостоятельно установить необходимое для работы количество оборотов. За счёт этого коллектор электродвигателя относится к категории устройств переменного тока, он показывает отличные результаты и с нестабильными источниками энергии.

Составляющие элементы конструкции

Чтобы максимально правильно разобраться с особенностями устройства коллекторного электродвигателя, нужно изучить все комплектующие детали этого агрегата. Ведь само устройство представлено в виде прибора постоянного тока, где присутствуют последовательно включённые обмотки возбуждения. Они предназначены для работы на переменном токе бытовой электросети.

В независимости от полярности двигатель всегда вращается только в одну сторону. Такая особенность связана с тем, что последовательное соединение обмоток ротора и статора приводит к одновременной смене магнитных полюсов. В результате этого результирующий момент направляется исключительно в одну и ту же сторону.

Высокая эффективность использования коллекторного электродвигателя обусловлена наличием следующих элементов:

  • Статор — это неподвижная часть установки.
  • Якорь — неотъемлемая деталь коллекторного агрегата, в котором происходит индуктирование электродвижущей силы и протекает ток нагрузки. Стоит отметить, что в качестве якоря может выступать как статор, так и ротор.
  • Индуктор — специализированная система возбуждения. Эта деталь создаёт магнитный поток для своевременного образования крутящегося момента. Индуктор обязательно оснащается обмоткой возбуждения или же постоянными магнитами. Сама деталь может выступать в качестве неотъемлемой части статора или ротора.
  • Ротор — вращающийся элемент машины.
  • Коллектор — базовая часть мотора, которая контактирует со щётками (две эти детали распределяют электрический ток по катушкам обмотки якоря).
  • Щётки — это составляющая часть цепи, по которой передаётся электроэнергия от источника питания к якорю. Эти элементы выпускаются из прочного графита. Двигатель постоянного тока может содержать от одной пары щёток и более.

Функциональные возможности мотора

Схема устройства коллекторного двигателя прекрасно демонстрирует, как этот агрегат преобразует электричество в механическую энергию и в обратном порядке. Это говорит о том, что такое устройство может использоваться даже в качестве генератора. Когда ток проходит сквозь проводник, который расположен в магнитном поле, то на него воздействуют определённые силы. При этом активно работает правило правой руки, оказывающее непосредственное влияние на итоговую мощность двигателя. Коллекторный агрегат функционирует именно по такому принципу.

В стандартной схеме чётко показано, что в магнитное поле помещена одна пара проводников, ток которых направлен в разные стороны так же, как и силы. Образуемая ими сумма даёт необходимый для оборудования крутящийся момент. В коллекторном двигателе производители добавили ещё и целый комплекс дополнительных узлов, которые гарантируют идентичное направление тока над полюсами.

За счёт того, что на якоре расположено ещё несколько катушек, полностью устранилась неравномерность хода. Помимо этого, у мастеров больше нет необходимости задействовать постоянный ток, так как обычные магниты были заменены на более мощные катушки. На финальном этапе производства крутящийся момент принял единое направление.

Плюсы и минусы эксплуатации

Для сравнения квалифицированные специалисты использовали следующие параметры: оба агрегата подключили к домашней электросети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Мощность мотора устройств полностью идентична. Итоговая разность в механических параметрах может выступать как огромный плюс, так и как минус (всё зависит только от того, какие требования предъявляет пользователь к приводу).

Коллекторный двигатель обладает следующими преимуществами над агрегатом постоянного тока:

  1. Меньший показатель пускового тока, что особенно важно для той техники, которая используется потребителями в быту.
  2. Агрегат можно включать напрямую в сеть, полностью отсутствует необходимость в установке вспомогательных приспособлений. А вот агрегат с постоянным током нуждается в непрерывном выпрямлении.
  3. Быстроходность и полное отсутствие зависимости от сетевой частоты.
  4. Если есть управляющая схема, то устройство коллектора получается более простым — тиристор и реостат. Когда электронная деталь выходит из строя, то сам агрегат остаётся в рабочем состоянии (но будет эксплуатироваться на полную мощность).

Не стоит забывать о недостатках, которые должны быть тщательно изучены каждым потребителем ещё до покупки агрегата. Только в этом случае можно быть уверенным в соответствии устройства всем предъявленным требованиям.

Коллекторный электродвигатель обладает следующими минусами:

  1. Общий процент КПД существенно снижен, так как присутствует индуктивность и потери на перемагничивание статора.
  2. Существенно уменьшен максимальный крутящийся момент.
  3. Относительно небольшая надёжность и непродолжительный эксплуатационный срок.

Любые изменения в настройках возможны только в том случае, если в агрегате предусмотрено наличие регулятора оборотов. Разное количество подаваемой электроэнергии может менять этот показатель всего на 10%. В то время как качественный регулятор оборотов позволяет уменьшить их количество в несколько раз. Сделать такое приспособление можно самостоятельно или купить в специализированном магазине. Но нужно проверить, сможет ли оно работать в коллекторе с определённой мощностью и количеством оборотов. Если же регулятор будет слабым, то он просто сломается.

Ремонт двигателя в домашних условиях

Как и любое другое устройство, коллектор может выйти из строя в самый неподходящий момент. Если электродвигатель не набирает заданное количество оборотов или же после старта не начинает крутиться вал, тогда нужно проверить работоспособность предохранителей. Проблема также может быть вызвана обрывом в цепи якоря и перегрузкой устройства. Довольно часто нерациональное использование агрегата приводит к потреблению силы тока повышенного значения. Устранить эту неисправность можно только после осмотра тормоза и механической части.

Если во время работы агрегат не выдаёт номинальное количество оборотов, то это может быть вызвано недостаточным сетевым напряжением, перегрузкой, а также большим возбуждающим током. Если пользователь заметил неработоспособность обратного типа, тогда необходимо проверить электрическую цепь, а также устранить все образовавшиеся дефекты. В некоторых случаях агрегат начинает функционировать только после перемотки двигателя.

Когда устройство не работает из-за ошибочного сопряжения параллелей и последовательной обмотки возбуждения, тогда пользователю необходимо восстановить правильный порядок соединений.

Не стоит забывать о регулярной проверке величины напряжения в электросети, так как обороты двигателя могут существенно возрастать.

Принцип работы универсального коллекторного двигателя

Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель 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.

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.

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.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 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 в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

  • Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
  • Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
  • Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

  • Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
  • Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

  • Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
  • Компактность (даже с учётом редуктора).
  • Больший пусковой момент.
  • Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
  • Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем:

  • Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
  • Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
    • Относительно малая надёжность (срок службы)
    • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи
    • Высокий уровень шума
    • Относительно большое число деталей коллектора (и соответственно двигателя)

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Сравнение с асинхронным двигателем

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

  • УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
  • Асинхронный двигатель — «жёсткая» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до полного торможения) момент двигателя не растёт, а даже падает, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.

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).

Аналоги без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике 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.

Коллекторный двигатель: Устройство, виды и принцип работы

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

  • Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
  • Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

  1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
  2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
  3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

  • Якорь. Состоит из металлического вала, на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
  • Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;
  • Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
  • Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

  • Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
  • Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
  • Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

  • Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
  • Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
  • Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести к выходу его из строя.

  • Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

  1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
  2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
  3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
  4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;
  1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
  2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.

Принцип работы коллекторного двигателя

Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис.) основан на следующем: если проводник с током — рамку прямоугольной формы, имеющую ось вращения, — поместить между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в рамке. Ток в рамку от источника постоянного тока может подаваться через контакты-полукольца, прикрепленные к концам рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис, а). Отметим, что вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, а неподвижная — статором.
Контакты-полукольца обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т. е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. У реальных коллекторных двигателей таких рамок много, поэтому вся контактная окружность делится уже не на две, а на большее количество контактов.

Рис.. Коллекторный электродвигатель: а — принцип действия; б — учебный коллекторный двигатель; в — якори учебных коллекторных двигателей; г — якорь реального электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовляют из меди, а щетки — из графита. Простейший ремонт электродвигателя заключается в замене щеток, запасной комплект которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные электродвигатели имеют широкое применение

Коллекторные электродвигатели. Они названы по одному из узлов ротора — коллектору (цилиндр, набранный из изолированных пластинок меди, к которому припаяны концы проводов обмотки). С коллектором соприкасаются щетки статора. Коллектор подводит ток к обмотке ротора, последовательно соединенной с обмоткой статора.

Коллекторные электродвигатели отличаются высокой скоростью вращения ротора, поэтому их используют в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины, и др. Они имеют малые массу и габаритные размеры. Для бытовых машин в основном применяют универсальный встраиваемый коллекторный электрический двигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Существуют двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают большие скорости вращения без нагрузки, поэтому их пуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего приводимые в движение части машины насаживают непосредственно на вал двигателя, например вентилятор у пылесоса.

В процессе эксплуатации коллекторных двигателей проявляются такие их недостатки, как повышенный уровень шума, создание помех радиоприему, искрение и выход из строя угольных щеток, сложность ухода. Такие двигатели являются менее надежными, слож­ными в производстве и дорогостоящими. Однако они имеют и ряд существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря которым и используются в бытовых машинах. Это хорошие пусковые данные, возможность получения больших скоростей вращения (до 25000 об/мин) и плавной регулировки скорости в широких пределах, универсальность.

Эффективность работы двигателя в бытовых приборах зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, который обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работу (фены, миксеры и др.), чтобы исключить перегрев двигателя и выход его из строя.

По способу охлаждения двигатели подразделяются на двигатели с естественным и искусственным охлаждением. Кроме того, необходимо вентилирующее приспособление, особенно независимое, которое следует поддерживать в рабочем состоянии.

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальные коллекторные двигатели — это электродвигатели малой мощности последовательного возбуждения с секционированной обмоткой возбуждения, благодаря чему они могут работать как на постоянном, так и на переменном стандартных напряжениях примерно с одинаковыми свойствами и характеристиками. Такие электродвигатели используют для привода маломощных быстроходных устройств и многих бытовых приборов. Они допускают простое, широкое и плавное регулирование скорости.

По своему устройству эти двигатели отличаются от двигателей постоянного тока общего применения конструкцией статора, магнитную систему которого собирают из топких изолированных друг от друга листов электротехнической стали с выступающими полюсами, на которых размещают по две секции обмотки возбуждения. Эти секции соединяют последовательно с якорем и располагают по обе стороны от его выводов, что снижает радиопомехи от ценообразования на коллекторе под щетками, которое при питании двигателя от сети переменного напряжения особенно усиливается из-за существенного ухудшения условий коммутации.

В зависимости от конструкции двигателя обмотка возбуждения может быть соединена с якорем внутри машины или может иметь самостоятельные наружные зажимы, что удобнее для изменения направления вращения якоря путем перемены мест проводов, подходящих к его зажимам или к зажимам обмотки возбуждения. Якорь универсальных двигателей устроен так же, как и якорь машин постоянного тока, а обмотка его присоединена к коллекторным пластинам, к которым прижаты щетки.

Пуск этих двигателей выполняют непосредственным включением в сеть постоянного или переменного напряжения, которое соответствует номинальному напряжению, указанному в ее табличке.

Скорость якоря универсального коллекторного двигателя последовательного возбуждения прямо пропорциональна напряжению на его зажимах и обратно пропорциональна амплитуде магнитного потока, зависящей от нагрузки на валу электродвигателя.

Механические характеристики у таких электродвигателей отличаются в зависимости от того на каком напряжении (переменном или постоянном) работает электродвигатель, так как при питании от сети постоянного напряжения присутствует только падение напряжения, созданное сопротивлениями обмоток возбуждения и якоря постоянному току, в то время как при присоединении к сети переменного напряжения возникает еще значительное индуктивное падение напряжения на обмотках возбуждения и якоря. Кроме этого, при переменном токе при малой скорости якоря имеет место значительный сдвиг фаз между напряжением и током, что резко снижает момент на валу двигателя.

Для получения примерно одинаковых механических характеристик на переменном и постоянном токе включают секционированную обмотку возбуждения двигателя на постоянный ток полностью, а при включении на переменный ток — частично, для чего двигатель присоединяют к соответствующей сети зажимами с обозначениями «+» и » — » или зажимами с обозначениями «

При номинальных режимах, отвечающих питанию от сети постоянного и переменного напряжений, номинальная скорость якоря одинакова. Однако при перегрузке двигателя, присоединенного к сети переменного напряжения, скорость якоря уменьшается сильнее, а при разгрузке возрастает быстрее, чем при работе его от сети постоянного напряжения.

При холостом ходе скорость якоря может превысить номинальную в 2,5 — 4 раза и выше, а это не допустимо из-за значительных центробежных сил, которые могут разрушить якорь. По этой причине режим холостого хода допустим только для двигателей малой номинальной мощности с относительно большими механическими потерями, ограничивающими скорость якоря. Двигатели с незначительными механическими потерями всегда должны нести нагрузку не менее 25% номинальной.

Регулирование скорости якоря осуществляют изменением напряжения на зажимах машины, а также шунтированием обмотки возбуждения или обмотки якоря резистором. Из этих способов полюсное регулирование, осуществляемое параллельным включением обмотки возбуждения регулируемого резистора, является наиболее экономичным.

Основным преимуществом универсальных коллекторных двигателей по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями является то, что они развивают значительный начальный пусковой момент благодаря последовательной обмотке возбуждения и позволяют без применения повышающего редуктора получить скорость якоря значительно выше синхронной.

Быстроходность универсальных коллекторных двигателей ограничивает их размеры и массу.

Номинальный к. п. д. этих машин зависит от их номинальной мощности, быстроходности и рода тока. Так, у двигателей номинальной мощностью от 5 до 100 Вт он составляет от 0,25 до 0,55, а в машинах номинальной мощностью до 600 Вт его значение доходит до 0,70 и выше, причем работа двигателей на переменном токе всегда сопровождается пониженным к. п. д., что вызвано повышенными магнитными и электрическими потерями. Номинальный коэффициент мощности этих двигателей составляет 0,70 — 0,90.

Схема подключения коллектора двигателя постоянного тока. КД с индуктором на постоянных магнитах. Катушки смешанного возбуждения

Коллекторный двигатель благодаря компактным размерам широко используется в производстве ручных электроинструментов. Его успешно используют вместо однофазного конденсаторного асинхронного. Массовое применение коллекторных двигателей обусловлено их большой мощностью, простотой эксплуатации и обслуживания. Независимо от внешних отличий и типов креплений, принцип действия у всех одинаковый.

Устройство и принцип работы

В первую очередь, это однофазный электродвигатель, в котором происходит последовательное возбуждение обмоток. Для его работы может использоваться переменный или постоянный ток. По этой причине коллекторный двигатель считается универсальным.

Большинство этих двигателей имеют в своей конструкции основные элементы в виде статора с обмоткой возбуждения, а также ротор и две щетки в качестве скользящего контакта. Большая роль во всей конструкции отводится тахогенератору.Его магнитный ротор закреплен на конце вала ротора, а катушка фиксируется стопорным кольцом или крышкой.

Все компоненты электродвигателя объединены в единой конструкции. Они соединены двумя алюминиевыми крышками, которые непосредственно образуют корпус двигателя. Для вывода контактов, присутствующих во всех элементах, используется клеммная колодка, что позволяет легко включить их в общую электрическую схему. Для работы ременной передачи на вал ротора прижимается шкив.

Подключение и управление

Работа двигателей этого типа основана на взаимодействии полей в статоре и роторе, когда через них проходит электрический ток. Коллекторный двигатель имеет последовательную цепь, через которую соединены обмотки. Клеммная колодка позволяет использовать до десяти контактов, увеличивая количество вариантов подключения.

Простейшее соединение можно выполнить, зная только расположение выводов статора и щеток.При нормальном подключении устанавливаются средства электрозащиты и устройства ограничения тока. Поэтому прямое подключение из сети должно быть не более 15 секунд.

Коллекторный двигатель управляется по специальной электронной схеме. В этой схеме вся регулировка мощности осуществляется путем подачи напряжения на двигатель в необходимом количестве и последовательного подключения к нему.

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливают электромашины с механической коммутацией.Этот тип двигателя называется коллекторным (далее — КД). Предлагаем рассмотреть разные типы таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Также мы поговорим о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Под таким определением понимается электрическая машина, преобразующая электричество в механическое, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки, подключенной к коллектору (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД этот элемент используется для переключения обмоток и как датчик, позволяющий определять положение якоря (ротора).

Типы компакт-дисков

Классифицирующие данные устройства принимаются по типу питания, в зависимости от которого выделяются две группы компакт-дисков:

  1. Постоянный ток. Такие машины обладают высоким пусковым моментом, плавным регулированием скорости и относительно простой конструкцией.
  2. Универсал. Может работать как постоянный или переменный источник электроэнергии. Они отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой в эксплуатации.

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 крутящего момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

  • независимые;
  • параллель;
  • последовательный;
  • смешанный.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже показан внешний вид электрической машины этого типа и ее основные элементы конструкции. Такое исполнение характерно практически для всех компакт-дисков.

Обозначение:

  • А — механический коммутатор, его еще называют коллектором, его функции 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 является электротехническая сталь).
  • D — Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
  • E — Анкерный вал.

В устройствах этого типа возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант в настоящее время не выпускается, мы его рассматривать не будем. Что касается универсального КД с последовательным возбуждением, то ниже представлена ​​типовая схема таких электрических машин.

Универсальный компакт-диск может работать от переменного напряжения, так как при изменении полярности ток в обмотках возбуждения и якоре также меняет направление.В результате крутящий момент не меняет своего направления.

Характеристики и сфера применения универсальных компакт-дисков

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

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

Ранее компакт-диски широко использовались во многих бытовых электроприборах (инструменты, стиральные машины, пылесосы и т. Д.).). На данный момент производители практически перестали использовать этот тип двигателей, отдав предпочтение бесщеточным электрическим машинам.

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.

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электрическими машинами этого типа.Объясняется это невысокой стоимостью за счет простоты конструкции, простого регулирования скорости вращения (зависит от напряжения) и смены ее направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что накладывает определенные ограничения.

Основная область применения — маломощные приводы для различного оборудования, часто применяемого в детских игрушках.

Среди достоинств можно выделить следующие качества:

  • высокий крутящий момент даже на малых оборотах;
  • динамизм управления;
  • низкая стоимость.

Основные недостатки:

  • малая мощность;
  • потеря магнитами своих свойств от перегрева или со временем.

Для устранения одного из основных недостатков этих устройств (старение магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, обратимся к рассмотрению таких компакт-дисков.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название из-за того, что обмотки индуктора и якоря не соединены друг с другом и питаются отдельно (см. A на рисунке 6).

Рисунок 6. Принципиальные схемы с независимой (A) и параллельной (V) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения в том, что источники питания U и U K должны отличаться, иначе возникнет силовой момент. Если создать такие условия невозможно, катушки якоря и индуктора подключаются параллельно (см. B на рисунке 6). Оба типа компакт-дисков имеют одинаковые характеристики, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы таких электромашин велик на малой скорости и уменьшается с ее увеличением.Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а полный ток представляет собой сумму токов, проходящих через эти обмотки. В итоге при падении тока катушки возбуждения до 0 КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Область применения таких устройств — электростанции мощностью 3 кВт.

Положительные черты:

  • отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя со временем;

Минусы:

  • стоимость выше, чем у устройств с постоянными магнитами;
  • недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, так как это приведет к пробою.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД показана на рисунке ниже.

Поскольку обмотки соединены последовательно, ток в них будет равным. В результате, когда ток в обмотке статора становится меньше номинального (это происходит при небольшой нагрузке), мощность магнитного потока уменьшается. Соответственно, при увеличении нагрузки мощность потока пропорционально увеличивается, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается.То есть в дальнейшем увеличение тока в катушечной обмотке якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Вышеупомянутая особенность проявляется в том, что компакт-диск этого типа не может работать при нагрузке в четверть номинальной. Это может привести к тому, что ротор электрической машины резко увеличит скорость вращения, то есть двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, эта особенность вводит ограничения по сфере применения, например, в механизмах с ременной передачей.Это связано с тем, что при его поломке электрическая машина начинает работать в режиме холостого хода.

Эта функция не распространяется на устройства мощностью менее 200 Вт, им разрешено опускать нагрузку до режима ожидания.

Достоинства компакт-диска с последовательной катушкой такие же, как и у предыдущей модели, за исключением простоты и динамизма управления. Из минусов следует отнести:

  • дороговизну по сравнению с аналогами на постоянных магнитах;
  • низкий уровень крутящего момента на высокой скорости;
  • , поскольку обмотки статора и возбуждения соединены последовательно, возникают проблемы с регулированием скорости вращения;
  • работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Катушки смешанного возбуждения

Как видно из схемы, показанной на рисунке ниже, индуктор на компакт-диске этого типа имеет две катушки, соединенные последовательно и параллельно обмотке ротора.

Обычно одна из катушек имеет большую силу намагничивания, поэтому она считается основной, соответственно вторая — дополнительной (вспомогательной). Допускается встречное и координированное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При двухпозиционном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электрических машин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек основная). То есть такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде постоянной скорости вращения или их увеличения с увеличением нагрузки.

Последовательное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателей электрических машин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток этой конструкции — большая стоимость по сравнению с другими типами компакт-дисков. Цена оправдана следующими положительными качествами: магниты

  • не устаревают при отсутствии таковых;
  • низкая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
  • высокий крутящий момент при низкой скорости;
  • простое и динамичное управление.

В домашнем хозяйстве редко встретишь мотор, работающий на постоянном токе. Но они всегда устанавливаются в детские игрушки, которые летают, катаются, гуляют и т.д.Они всегда стоят в машинах: в разных дисках и болельщиках. В электротранспорте их тоже часто используют.

Другими словами, двигатели постоянного тока используются там, где требуется широкий диапазон регулирования скорости и точности.

Электроэнергия в двигателе преобразуется в механическую, заставляя его вращаться, и часть этой мощности расходуется на нагрев проводника. Конструкция электродвигателя постоянного тока включает якорь и индуктор, разделяющие воздушные зазоры.Индуктор, состоящий из дополнительных и основных полюсов, и рамы, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому на рабочую обмотку подается постоянный ток, образуют магнитную систему. Коллектор представляет собой цилиндр, установленный на валу двигателя, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток от коллектора снимается с помощью щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, тем самым обеспечивая необходимое давление на поверхность коллектора.Щетки с кожухом двигателя соединены траверсой.

Щетки в процессе работы скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной пластины к другой. В этом случае в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (при коротком замыкании витка щеткой). Этот процесс называется коммутацией.

Под действием его магнитного поля возникает ЭДС самоиндукции в замкнутом участке обмотки, вызывая дополнительный ток, который неравномерно распределяет ток по поверхности щетки, что приводит к искрообразованию.

Частота вращения — одна из важнейших его характеристик. Его можно регулировать тремя способами: изменением потока возбуждения, изменением величины приложенного к двигателю напряжения, изменением сопротивления в якорной цепи.

Первые два метода встречаются гораздо чаще, чем третий из-за его неэффективности. Ток возбуждения регулируется любым устройством, способным изменять активное сопротивление (например, реостатом).Регулировка путем изменения напряжения требует наличия источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяется во всех промышленных электроприводах.

Торможение электродвигателя постоянного тока

Для торможения электроприводов с DPT также есть три варианта: Торможение встречным, динамическим и рекуперативным. Первый связан с изменением полярности тока в обмотке якоря и напряжения. Второй — из-за короткого замыкания (через резистор) обмотки якоря.Электрический двигатель, работая как генератор, преобразует его в запасенную им электрическую энергию, которая выделяется в виде тепла. Это торможение сопровождается мгновенной остановкой двигателя.

Последнее возникает, если включенный в сеть электродвигатель вращается со скоростью выше холостого хода. ЭДС обмотки двигателя в этом случае превышает значение напряжения i в сети, что приводит к изменению в обратном направлении тока в обмотке двигателя, т.е.Двигатель подает энергию в сеть, переходя в режим генератора. При этом на валу действует тормозной момент.

Преимущества двигателей постоянного тока

Сравнивая их с асинхронными двигателями, следует отметить отличные пусковые качества, высокую скорость (до 3000 об / мин), а также хорошую наладку. Из недостатков можно отметить? Сложность конструкции, низкая надежность, высокая стоимость и затраты на ремонт и обслуживание.

Принцип действия DPT

DPT, как и любой современный мотор, работает на основе «правила левой руки», с которым все знакомы по школе и закону Фарадея.При подключении тока к нижней обмотке якоря в одном направлении, а к обмотке верхней — в другом, якорь начинает вращаться, и проводники, уложенные в его пазы, выталкиваются магнитным полем статора или магнитным полем. обмотки корпуса двигателя постоянного тока. Нижняя часть сдвигается вправо, а верхняя часть — влево. В результате якорь вращается до тех пор, пока его части не поменяются местами. Чтобы добиться непрерывного вращения, необходимо регулярно менять полярность обмотки якоря.Именно этим и занимается коллектор, переключающийся при вращении обмотки якоря. На коллектор подается напряжение от источника через пару нажимных щеток из графита.

Принципиальные схемы ДПТ

Двигатель переменный ток подключается просто, в отличии от DPT. Обычно эти двигатели большой и средней мощности имеют отдельные клеммы в клеммной коробке (от обмотки и якоря). На якорь обычно подается полное напряжение, а на обмотку — ток, который можно регулировать с помощью реостата или переменной напряжения.Число оборотов двигателя переменного тока прямо пропорционально значению тока на обмотке возбуждения.

В зависимости от того, какая схема подключения двигателя постоянного тока используется, электродвигатель может быть постоянным током, разделенным на самовозбуждение и независимое возбуждение (от отдельного источника).

Схема подключения двигателя с параллельным возбуждением

Аналогичен предыдущему, но не имеет отдельного источника питания.

При необходимости большого пускового тока двигатели с возбуждением используются последовательно: в городском электротранспорте (троллейбусы, трамваи, электровозы).

Токи обеих обмоток в этом случае одинаковы. Недостаток — требуется постоянная нагрузка на вал, так как при ее уменьшении на 25% резко увеличивается скорость вращения и двигатель выходит из строя.

Есть и моторы, которые используются редко — со смешанным возбуждением. Их схема представлена ​​ниже.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Под термином «возбуждение» понимается создание в электрических машинах магнитного поля, необходимого для работы двигателя.Схем возбуждения несколько:

  • С независимым возбуждением (обмотка запитана от постороннего источника).
  • Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (питание обмотки возбуждения и якоря включены параллельно) — шунтирующий.
  • При последовательном возбуждении (обе обмотки включены последовательно) — последовательно.
  • Со смешанным возбуждением — соединение.

Бесщеточные двигатели

Но двигатель со щетками, которые быстро изнашиваются и приводят к искрообразованию, не может использоваться там, где требуется высокая надежность, поэтому электродвигатели (электрические велосипеды, скутеры, мотоциклы и электромобили) имеют наибольшее применение среди бесщеточных электродвигателей.Они отличаются высоким КПД, невысокой стоимостью, хорошей удельной емкостью, длительным сроком службы, небольшими размерами, бесшумной работой.

Работа этого двигателя основана на взаимодействии магнитных полей электромагнита и постоянного. Когда в окне 21 век, а вокруг полно мощных и недорогих проводников, логично заменить механический инвертор на цифровой, добавить датчик положения ротора, решающий, в какой момент конкретной катушке необходимо подать напряжение. , и получите бесщеточный двигатель постоянного тока.В качестве датчика чаще используется датчик Холла.

Поскольку в этом двигателе щетки снимаются, он не требует регулярного обслуживания. Управление двигателем постоянного тока осуществляется с помощью блока управления, который позволяет изменять скорость вращения вала двигателя, стабилизировать обороты на определенном уровне (независимо от нагрузки на вал).

Имеется блок управления, состоящий из нескольких блоков:

  • Системы импульсно-фазового управления НРФУ.
  • Регулятор
  • Защита.

Где купить электродвигатель

Многие компании с мировым именем сегодня производят электродвигатели 220 В постоянного тока. Приобрести его можно в интернет-магазинах, менеджеры которых предоставят исчерпывающую онлайн-информацию о выбранной модели. Большой выбор моделей таких двигателей на сайте http://www.aliexpress.com/w/wholesale-brushless-dc-motor.html, в каталоге которых можно ознакомиться со стоимостью моделей, их описание и др. Даже если в каталоге нет интересного двигателя, вы можете заказать его доставку.

Коллекторные двигатели переменного тока

широко используются в качестве силовых агрегатов бытовой техники, ручных электроинструментов, электрооборудования автомобилей, систем автоматизации. Схема подключения коллекторного двигателя переменного тока, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких двигателей обусловлена ​​их компактностью, малым весом, простотой эксплуатации, относительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованными в этом сегменте производства являются электродвигатели малой мощности с высокой скоростью вращения.

  • Упрощенная схема подключения
  • Управление двигателем
  • Достоинства и недостатки
  • Типичные неисправности

Особенности конструкции и принципа работы

По сути, коллектор электродвигателя переменного тока представляет собой достаточно специфическое устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, следовательно, имеющее схожие характеристики. Разница между этими двигателями заключается в том, что корпус статора двигателя переменного тока для уменьшения потерь на вихревые токи изготовлен из отдельных листов электротехнической стали.Обмотки возбуждения машины переменного тока соединены последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220В.

Они могут быть однофазными или трехфазными; благодаря возможности работать от постоянного и переменного тока еще называют универсальными. В состав помимо статора и ротора входят щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном двигателе является результатом взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения.Через щетки ток подается на коллектор, собранный из трапециевидных секций и являющийся одним из узлов ротора, последовательно соединенных с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного двигателя переменного тока можно наглядно продемонстрировать, используя известный из школы опыт вращения рамы, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через раму протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил.Направление движения рамки не меняется при изменении направления тока в ней.

Последовательное соединение обмоток возбуждения дает большой максимальный крутящий момент, но есть большие обороты холостого хода, что может привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения коллекторного двигателя переменного тока может обеспечить до десяти выходных контактов на контактной планке. Ток из фазы L течет к одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего вторая щетка и перемычка попадают на обмотки статора и переходит в нейтраль N.Этот способ подключения не включает реверс двигателя из-за последовательного соединения обмоток, приводящего к одновременной замене полюсов магнитных полей, и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить только путем изменения мест вывода обмоток на контактной планке. Двигатель может быть «напрямую подключен» только с подключенными соединениями статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм).Выход половинной обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении двигатель работает на полную мощность с момента его включения, поэтому его можно эксплуатировать не более 15 секунд.

Управление двигателем

На практике двигатели с разными способами регулирования работают. Коллекторным двигателем можно управлять с помощью электронной схемы, в которой симистор играет роль регулирующего элемента, который «передает» заданное напряжение на двигатель.Симистор работает как гаечный ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в определенный момент.

В схемах, использующих симистор, реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом управлении, в котором величина приложенного к двигателю напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря прямо пропорциональна напряжению, приложенному к обмоткам. Принцип работы схемы управления коллекторным электродвигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

  • электронная схема посылает сигнал на затвор симистора;
  • затвор открывается, ток течет по обмоткам статора, давая вращение якоря двигателя M;
  • Тахогенератор

  • преобразует в мгновенные электрические сигналы мгновенные значения частоты вращения, в результате чего формируется обратная связь с управляющими импульсами;
  • в результате ротор равномерно вращается при любой нагрузке;
  • реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Кроме симистора имеется фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Достоинства и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин можно отнести:

  • компактные размеры;
  • увеличенный пусковой момент; «Универсальность» — работа над переменным и постоянным напряжением;
  • скорость и независимость от частоты сети;
  • плавное регулирование скорости в широком диапазоне за счет изменения напряжения питания.
  • сокращение долговечности механизма;
  • искрение между коллектором и щетками;
  • повышенный уровень шума;
  • большое количество коллекторных элементов.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором даже при работе нового двигателя наблюдается искрение. Использованные щетки следует заменять во избежание более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может происходить межвитковое замыкание обмотки якоря или статора, в результате чего происходит значительное падение магнитного поля или сильная дуга перехода коллектор-щетка.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя можно грамотной эксплуатацией устройства и профессионализмом производителя в процессе сборки изделия.

1. Применение коллекторных двигателей в стиральных машинах Коллекторные двигатели нашли широкое применение не только в электроинструментах (дрели, отвертки, шлифовальные машины и т. Д.), Небольших бытовых приборах (миксеры, блендеры, соковыжималки и т. Д.), Но и при мойке. машины в качестве приводного барабана.Коллекторными двигателями оснащено большинство (около 85%) всех бытовых стиральных машин. Эти двигатели уже использовались во многих стиральных машинах с середины 90-х годов и со временем были полностью вытеснены.

Коллекторные двигатели более компактные, мощные и простые в эксплуатации. Этим объясняется их столь массовое использование. В стиральных машинах используются коллекторные двигатели марок: INDESCO, WELLING, C.E.S.E.T., SELNI, SOLE, FHP, ACC . Внешне они немного отличаются друг от друга, могут иметь разную мощность, тип крепления, но принцип их работы совершенно одинаковый.

2. Устройство коллекторного двигателя для стиральной машины

1. Статор
2. Коллектор ротора
3. Щетка (всегда используйте две щетки,
вторая на рисунке не видна)
4. Магнитный ротор тахогенератора
5. Катушка (обмотка) тахогенератора
6. Фиксирующая крышка тахогенератора
7. Клеммная колодка двигателя
8. Шкив
9. Алюминиевый корпус

Рис. 2

Коллекторный двигатель — это однофазный двигатель с последовательным возбуждением обмоток, предназначенный для работы от сети переменного или постоянного тока.Поэтому его еще называют универсальным коллекторным двигателем (DCM).

Большинство коллекторных двигателей, используемых в стиральных машинах, имеют дизайн и внешний вид, представленные на (Рис. 2).
Этот двигатель имеет ряд основных частей, таких как статор (с обмоткой возбуждения), ротор, щетку (скользящий контакт). , всегда используются две щетки), тахогенератор (магнитный ротор которого прикреплен к торцевой части вала ротора, а катушка тахогенератора фиксируется стопорной крышкой или кольцом). Все компоненты скреплены в единую конструкцию с двумя алюминиевыми крышками, образующими корпус двигателя.Клеммы обмотки статора, щеток и тахогенераторов, необходимые для подключения к электрической цепи, выводятся на клеммную колодку. Шкив прижимается к валу ротора, через который с помощью ременной передачи приводится в движение барабан стиральной машины.

Чтобы лучше понять, как работает коллекторный двигатель, давайте рассмотрим устройство каждого из его основных узлов.

2,1 Ротор (якорь)


Фиг.3


Ротор (якорь) — вращающаяся (подвижная) часть двигателя (рис.3) . На стальной вал установлен сердечник, который изготовлен из листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов. В пазы сердечника укладываются такие же ответвления обмотки, выводы которых прикреплены к контактным медным пластинам (ламелям), образующим коллектор ротора. На коллекторе ротора в среднем может быть 36 ламелей, расположенных на изоляторе и разделенных зазором.
Для обеспечения скольжения ротора на его вал запрессованы его подшипники, опорами которых является крышка двигателя. Также на вал ротора прижимается шкив с формованными канавками для ремня, а на противоположной торцевой стороне вала имеется резьбовое отверстие, в которое вкручивается магнитный ротор тахометра.

2,2 Статор

Статор — неподвижная часть двигателя (рис.4) . Для уменьшения вихревых токов сердечник статора изготовлен из монтажных пластин из электротехнической стали, образующих каркас, на котором последовательно соединены две равные секции обмотки.Статор почти всегда имеет только два вывода обеих секций обмотки. Но в некоторых двигателях так называемая обмотка статора секционирует секцию и между секциями дополнительно имеется третий вывод. Обычно это делается потому, что при работающем двигателе постоянного тока индуктивное сопротивление обмоток имеет меньшее сопротивление постоянному току, а ток в обмотках выше, поэтому используются обе секции обмотки, а при работе с переменным током только одна. секция включается, так как к переменной Индуктивное сопротивление обмотки оказывает большее сопротивление и ток в обмотке меньше.В универсальных коллекторных двигателях стиральных машин применяется тот же принцип, только необходимо секционирование обмотки статора для увеличения частоты вращения ротора двигателя. При достижении определенной частоты вращения ротора электрическая цепь двигателя переключается таким образом, что включается одна секция обмотки статора. В результате индуктивное сопротивление уменьшается, и двигатель набирает еще большие обороты. Это необходимо на этапе прессования (центрифугирования) в стиральной машине.Средняя мощность секций обмотки статора используется не во всех коллекторных двигателях. Фиг.4
Статор коллекторного двигателя (вид с торца)

Для защиты двигателя от перегрева и токовых перегрузок, последовательно через обмотку статора включают тепловую защиту с самовосстанавливающимися биметаллическими контактами (тепловая защита на рисунке не показана). Иногда контакты тепловой защиты выводятся на клеммную колодку двигателя.

2.3 Кисть

Фиг.5

Щетка представляет собой скользящий контакт, представляет собой звено электрической цепи, обеспечивающее электрическое соединение цепи ротора со схемой статора. Щетка прикреплена к корпусу двигателя и под определенным углом упирается в ламели коллектора. Используется как минимум пара щеток, составляющая так называемый щеткосборный узел .
Рабочая часть щетки — графитовый стержень с низким удельным электрическим сопротивлением и низким коэффициентом трения.Графитовый стержень имеет гибкий медный или стальной жгутик с припаянным контактным выводом. Для прижатия штанги к коллектору используется пружина. Вся конструкция заключена в изолятор и прикреплена к кожуху двигателя. Во время работы двигателя щетки стираются из-за трения о коллектор, поэтому считаются расходными материалами.

(от др. Греческого τάχος — скорость, скорость и генератор) — измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенной частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал.Тахогенератор предназначен для регулирования скорости вращения ротора коллекторного двигателя. Ротор тахогенератора прикреплен непосредственно к ротору двигателя, и при вращении в обмотке тахогенератора индуцируется пропорциональная электродвижущая сила (ЭДС) по закону взаимной индукции. Значение переменного напряжения считывается с клемм катушки и обрабатывается электронной схемой, которая в конечном итоге определяет и контролирует необходимую постоянную скорость вращения ротора двигателя.
Такой же принцип работы и конструкция у тахогенераторов используются в стиральных машинах с однофазными и трехфазными асинхронными двигателями.

Фиг.6

В коллекторных двигателях некоторых моделей стиральных машин Bosch (Бош) и Сименс (Сименс), вместо тахогенератора Датчик Холла . Это очень компактное и недорогое полупроводниковое устройство, которое устанавливается на неподвижной части двигателя и взаимодействует с магнитным полем круглого магнита, установленного на валу ротора непосредственно рядом с коллектором.Датчик Холла имеет три выхода, сигналы с которых также считываются и обрабатываются электронной схемой (подробно принцип действия датчика Холла в этой статье мы рассматривать не будем).

Как и в любом электродвигателе, принцип работы коллекторного двигателя основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора, через которые проходит электричество. Коллекторный двигатель стиральной машины имеет схему последовательного включения обмоток. В этом легко убедиться, рассмотрев его подробную схему подключения к электрической сети

(рис.7) .

У коллекторных двигателей стиральных машин на клеммной колодке может использоваться от 6 до 10 контактов. На рисунке показаны все максимум 10 контактов и все возможные варианты подключения узлов двигателя.

Зная устройство, принцип работы и стандартную схему подключения коллекторного двигателя, легко запустить любой двигатель непосредственно от сети без использования электронной схемы управления и для этого не нужно запоминать расположение выводы обмотки на клеммной колодке двигателя каждой марки.Для этого достаточно просто определить выводы обмоток статора и щеток и подключить их по схеме на рисунке ниже.

Порядок контактов клеммной колодки коллекторного двигателя стиральной машины выбран произвольно.

Рис. 7

На схеме оранжевые стрелки указывают направление тока по проводникам и обмоткам двигателя. Из фазы (L) ток течет через одну из щеток к коллектору, проходит через витки обмотки ротора и выходит через другую щетку, а через перемычку ток последовательно проходит через обмотки обеих секций статора в нейтраль ( N).

Этот тип двигателя, независимо от полярности приложенного напряжения, вращается в одном направлении, потому что из-за последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно, а результирующий момент остается направлен в одну сторону.

Для того, чтобы двигатель начал вращаться в обратном направлении, необходимо только изменить последовательность коммутации обмоток.
Пунктирной линией обозначены элементы и выводы, которые задействованы не во всех двигателях.Например, датчик Холла, провода тепловой защиты и вывод половины обмотки статора. При прямом пуске коллекторного двигателя подключаются только обмотки статора и ротора (через щетки).

Внимание! Представленная схема подключения коллекторного двигателя напрямую, не имеет средств электрической защиты от короткого замыкания и токоограничивающих устройств. При таком подключении от бытовой сети двигатель развивает полную мощность, поэтому не допускайте длительного прямого включения.

4. Управление коллекторным двигателем в стиральной машине

Принцип работы электронных схем, в которых используется симистор, основан на двухполупериодном управлении фазой. На графике (рис. 9) показано, как изменяется напряжение напряжения двигателя в зависимости от импульсов, поступающих от микроконтроллера на управляющий электрод симистора.

Рис.9 Изменение значения напряжения питания в зависимости от фазы поступающих управляющих импульсов

Таким образом, можно отметить, что частота вращения ротора двигателя напрямую зависит от напряжения, приложенного к обмотки двигателя.

Ниже, на (рис.10) фрагменты условной электрической схемы подключения коллекторного двигателя с тахометром к электронному блоку управления (ЭЦ) .
Общий принцип схемы управления коллекторным двигателем следующий. Управляющий сигнал от электронной схемы поступает на затвор симистора (TY) , тем самым открывая его и через обмотки двигателя протекает ток, который приводит во вращение ротор (М) двигателя.В то же время тахогенератор (P) передает мгновенное значение частоты вращения вала ротора в пропорциональный электрический сигнал. По сигналам от тахогенератора создается обратная связь с сигналами управляющих импульсов, подаваемых на затвор симистора. Это обеспечивает равномерную работу и скорость вращения ротора двигателя при всех условиях нагрузки, при этом барабан в стиральных машинах вращается равномерно. Для реализации реверсивного вращения двигателя используются реле R1 и R2 , коммутирующие обмотки двигателя.
Рис. 10 Изменение направления вращения двигателя

В некоторых стиральных машинах коллекторный двигатель работает от постоянного тока. Для этого в цепи управления после симистора устанавливается выпрямитель переменного тока, построенный на диодах («диодный мост»). Работа коллектора двигателя постоянного тока увеличивает его КПД и максимальный крутящий момент.

5. Достоинства и недостатки универсальных коллекторных двигателей

К достоинствам можно отнести: компактные размеры, большой пусковой момент, высокую скорость и отсутствие подключения к сетевой частоте, возможность плавно регулировать скорость (крутящий момент) в очень широком диапазоне — от от нуля до номинала — за счет изменения напряжения питания, возможность применения работы как на постоянном, так и на переменном токе.
Недостатки — наличие узла коллектор-щетка и в связи с этим: относительно низкая надежность (срок службы), искрение между щетками и коллектором из-за коммутации, высокий уровень шума, большое количество деталей коллектора.

6. Неисправности коллекторных двигателей

Самая уязвимая часть двигателя — коллекторно-щеточный узел. Даже в исправном двигателе между щетками и коллектором есть искрение, которое довольно сильно нагревает его ламели.Когда щетки изнашиваются до предела и из-за их плохого давления на коллектор, дуга иногда достигает кульминационного момента, представляющего собой электрическую дугу. При этом ламели коллектора сильно перегреваются и иногда отслаиваются от изолятора, образуя неровности, после чего даже при замене изношенных щеток двигатель будет работать с сильным искрообразованием, что приведет к выходу из строя.

Иногда происходит межвитковое замыкание обмотки ротора или статора (гораздо реже), что также проявляется в сильном искрообразовании узла коллектор-щетка (из-за повышенного тока) или ослаблении магнитного поля двигатель, в котором ротор двигателя не развивает полный крутящий момент.
Как уже говорилось выше, щетки коллекторных двигателей со временем трутся о коллектор. Поэтому большая часть работ по ремонту двигателя — это замена щеток.

Стоит отметить, что надежность коллекторного двигателя во многом зависит от того, насколько грамотно и грамотно производители подходят к технологическому процессу его изготовления и сборки.

Материал подготовлен сервисной службой «Аквалюкс»

преимущества и недостатки разных типов

Коллекторные электродвигатели стоят в стиральных машинах (но не во всех моделях), пылесосах, электроинструментах, детских игрушках и т. Д.Основным отличительным признаком является наличие неподвижных обмоток статора и обмоток на валу (якоре), которые питаются от коллектора и графитовых щеток.

Если вы сломали или испортили мотор в электроинструментах и ​​других устройствах, не спешите его выбрасывать, ведь в большинстве случаев его можно быстро и недорого отремонтировать своими руками. Как определить и устранить проблему, вы узнаете далее в этой статье.

Прежде чем приступить к поиску причины в электродвигателях, сначала проверьте исправность шнура питания, кнопки включения и наличие пускорегулирующих устройств.

Как проверить коллекторный мотор — самые частые поломки

Для устранения неисправности придется разобрать сам электроинструмент или электродвигатель других бытовых устройств путем. Непосредственно перед тем, как приступить к разборке, обратите внимание на искру в контактно-щеточном механизме. Если он увеличен (как на рисунке у нижней щетки), то это может свидетельствовать об износе или плохом контакте щеток, реже о межвитковых замыканиях в коллекторе.

В большинстве случаев причиной выхода из строя двигателей коллектора является износ щеток и почернение коллектора.Изношенные щетки необходимо заменить новыми такой же формы и размера, желательно конечно оригинальные. Меняются очень просто, либо нужно снять или сдвинуть защелку либо открутить болт. В некоторых моделях сами щетки не меняются, а в сочетании с щеткодержателем. Не забудьте подключить к контакту медный провод. Если щетки целы, то пружины растягивают, нажимая на них.

Если потемнела контактная часть коллектора , то ее обязательно нужно зачистить мелкой наждачной бумагой (ноль).

Иногда вместе с контактом щеток с коллектором образуется бороздка. Его необходимо проткнуть на машине.

На втором месте по количеству неисправностей износ подшипников. На необходимость их замены в электроинструментах указывает биение патрона и повышенная вибрация корпуса при работе. Как проверить и заменить подшипники подробно описано в. В самых запущенных случаях начните вращаться при касании якоря и статора, вы как минимум поменяете якорь.

Как проверить коллекторный мотор — редкие поломки

Гораздо реже происходит обрыв или выгорание обмоток или мест их соединения, плавления или замыкания графитовых ламелей пылеуловителя.
В большинстве случаев это можно определить путем внешнего осмотра. При этом обратите внимание на:

  • Целостность обмоток.
  • Почернение обмоток полностью или частично.
  • Надежность контактов выводов с ламелями коллектора.При необходимости припаять.
  • Пространство между ламелями забито графитовой пылью? Если да, то почистите.
  • Наличие характерного запаха горящей изоляции проводов.

При обнаружении визуального повреждения обмотки стартера или якоря их необходимо будет заменить на новые или поставить на перемотку.

Но не всегда можно визуально определить повреждение обмоток, поэтому следует использовать для этих целей мультиметр.

Как вызвать мотор мультиметром

Включите мультиметр в режим прозвонки или омметра с диапазоном измерения 50-100 Ом. Как это сделать читайте в.

Иногда в обмотке возникает межвитковое замыкание , тогда определить его можно только с помощью специального прибора — устройства проверки анкеров.

Сопутствующие материалы.

Якорь электродвигателя относится к вращающейся части, на которой собирается грязь, образуется налет.В случае неисправности можно провести диагностику в домашних условиях с помощью наглядного пособия и мультиметра. На трущихся поверхностях не должно быть сколов, царапин и трещин. Если они обнаруживаются, принимаются меры по их устранению.

Типичные неисправности

Якорь двигателя при нормальных условиях эксплуатации не подвержен износу. Заменить только щетки, измерив допустимую длину. Но при продолжительных нагрузках обмотки статора начинают нагреваться, что приводит к образованию нагара.

Из-за механических воздействий якорь двигателя может покоробиться при повреждении подшипниковых узлов. Двигатель будет работать, но постепенный износ ламелей или пластин приведет к его окончательному выходу из строя. Но для экономии дорогостоящего оборудования зачастую достаточно провести профилактическое обслуживание, и устройство может эксплуатироваться долгое время.

К негативным факторам, влияющим на якорь двигателя, относится попадание влаги на металлические поверхности. Критичным является длительное воздействие влаги и ржавчины.Из-за красных скоплений и грязи увеличивается трение, это увеличивает текущую нагрузку. Контактные детали нагреваются, припой может отслаиваться, создавая периодическую искру.

Сервисный центр может помочь, но это потребует определенных затрат. С поломкой можно справиться самостоятельно, прочитав вопрос: как проверить якорь мотора в домашних условиях. Для диагностики вам понадобится прибор для измерения сопротивления и инструменты.

Как диагностируется неисправность?

Проверка якоря двигателя начинается с определения самой неисправности.Полный выход из строя этого узла происходит из-за разбросанных щеток коллектора, разрушения диэлектрического слоя между пластинами, а также из-за короткого замыкания в электрической цепи. В случае возникновения искры внутри устройства делается вывод, что токосъемники изношены или повреждены.

Искрение щеток начинается из-за появления зазора в месте контакта с коллектором. Этому предшествует падение устройства, высокая нагрузка на вал из-за заклинивания, а также нарушение целостности припоя на выводах обмоток.

Неисправность работающего двигателя обозначается типичными условиями:

  • Искра является основным признаком неисправности.
  • Гудение и трение при вращении якоря.
  • Явная вибрация во время работы.
  • Измените направление вращения, когда траектория якоря меньше вращения.
  • Появление запаха плавящегося пластика или сильный нагрев корпуса.

Что делать, если в моей работе есть отклонения?

Частота вращения якоря двигателя поддерживается постоянной.На холостом ходу неисправность может не возникнуть. Под нагрузкой трение компенсируется увеличением тока, протекающего по обмоткам. Если выявились отклонения в работе болгарки, дрели, стартера, то необходимо снять подачу напряжения.

Продолжение использования устройства может привести к возгоранию или поражению электрическим током. Прежде всего, рекомендуется осмотреть корпус продукта, оценить проводку на целостность, отсутствие плавких деталей и повреждение изоляции.Температура всех частей устройства проверяется на ощупь. Рукой попробуйте повернуть якорь, он должен двигаться легко, без заклинивания. Если механические части целы и никакие загрязнения не передаются на разборку.

Диагностика внутренних деталей

Обмотка якоря двигателя не должна иметь нагара, темных пятен, похожих на последствия перегрева. Поверхность контактных деталей и область зазора не должны быть колодками. Мелкие частицы снижают мощность двигателя и увеличивают ток.Необязательно разбирать устройства с подключенной к сети вилкой для безопасности работы.

Рекомендуется снимать процесс разборки во избежание трудностей в обратном процессе. Или вы можете записывать каждый шаг своих действий на листе. Допускается некоторый износ щеток, ламелей. Но если вы обнаружите царапину, вам следует выяснить причину их происхождения. Возможно, этому поспособствовала трещина в корпусе, которую можно увидеть только под нагрузкой.

Работа с омметром

Искренняя могла быть из-за потери электрического контакта в одной из планок. Для измерения сопротивления рекомендуется разместить щупы сбоку от токоприемников. Вращая вал двигателя, наблюдайте за показаниями шкалы. На экране должны быть нулевые значения. Если цифры проседают даже на несколько Ом, то это говорит о нагарах. Когда появляются бесконечные значения, они судят о разрыве цепочки.

Независимо от результатов необходимо дополнительно проверить сопротивление между каждой соседней пластиной.Он должен быть одинаковым для каждого измерения. При отклонениях следует проверить все соединения катушек и контактную поверхность щеток. Сами щетки должны иметь равномерный износ. При сколах и трещинах они подлежат замене.

Катушки соединены с сердечником проводкой, которая может отслоиться. Припой часто не выдерживает ударов при падении. Со стартером ток через контакты может достигать 50А, что приводит к перегоранию некачественных соединений.Внешний осмотр определяет место повреждения. Если неисправностей не обнаружено, измеряется сопротивление между ламелями и самой катушкой.

Если нет омметра?

При отсутствии мультиметра потребуется блок питания на 12 вольт и лампочка на соответствующее напряжение. У любого автолюбителя с таким набором проблем не возникнет. Подключите положительную и отрицательную клеммы к вилке прибора. В щель вставляем лампу накаливания. Результат наблюдается визуально.

Вал якоря вращается вручную, лампа горит без скачков яркости. Если наблюдается демпфирование, это означает, что двигатель неисправен. Скорее всего, произошла межвитковая неисправность. Полное исчезновение свечения свидетельствует о разрыве цепи. Причинами могут быть бесконтактные щетки, обрыв обмотки или отсутствие сопротивления в одной из планок.

Как «оживить» неисправный прибор?

Ремонт якоря мотора начинается только после полной уверенности в неисправности агрегата.Царапины и сколы на ламелях удаляются круглой канавкой. Технический углерод и сажу можно удалить с помощью чистящих средств для контактных электрических соединений. Сломанные подшипники перепрессовываются и меняются на новые. При сборке важно соблюдать балансировку вала.

Вращение должно быть легким и бесшумным. Поврежденная изоляция восстанавливается, можно использовать обычную изоленту. Связи, вызывающие подозрение, лучше снова развалить.В случае проблем с катушками якоря рекомендуется прибегнуть к перемотке, которую можно выполнить самостоятельно.

Катушка восстановления

Перемотать якорь мотора можно в условиях гаража, только при каждом повороте требуется соблюдать осторожность. Медная проводка выбирается аналогичной намотки. Сечение менять нельзя, это приведет к нарушению скоростной работы двигателя. Для разделения обмоток потребуется диэлектрическая бумага.Катушки в конце залить лаком.

Потребуется паяльник и навыки его использования. Стыки обрабатываются кислотой, применяется канифоль для нанесения оловянно-свинцового припоя. При демонтаже старой обмотки подсчитайте количество витков и примените такое же количество новой обмотки.

Корпус необходимо очистить от старого лака и других включений. Для этого подойдет напильник, гнездо или записывающее устройство. Для анкера изготавливаются гильзы, материал электрокартон. Полученные заготовки укладываются в пазы.Намотанные катушки нужно делать с правильными витками. Выводы со стороны коллектора перемотаны капроновой нитью.

Каждый провод припаян к соответствующим ламелям. Сборку необходимо завершить следующими измерениями сопротивления контактных соединений. Если все в норме и нет возможности проверить работу электродвигателя под напряжением.

Стр. 1

Аномалия электродвигателя состоит из вала, на который запрессован сердечник из лакированной электротехнической стали толщиной 0,5 мм с пазами для намотки и коллектора.Обмотка якоря двухслойная с диаметральным шагом из проволоки ПЕЛШКО. Коллектор набран из пластин красной меди, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Армирование коллектора выполнено на пластике и осуществляется с помощью стальных колец, уложенных перед запрессовкой коллектора в выемках в форме ласточкина хвоста. Чтобы предотвратить смыкание пластин коллектора, кольца перед укладкой изолируют стеклопластиковой лентой. В результате армирования увеличивается прочность коллектора.Обмотка подключается к коллектору так же, как в двигателях постоянного тока.

Якорь электродвигателя разбирают в такой последовательности: конусный ролик 4 откручивают (см. Рисунок 82) с вала якоря; С помощью съемника подшипник 5 и вентилятор 8 сжимаются; снимите маслоотделительные кольца 2; заменить отработанные подшипники, снять обмотку, перемотать новую, собрать якорь и электродвигатель. Центрирование якоря по горизонтали производится крышкой (заглушкой) 19 подшипника.

Якорь двигателя состоит из пакета пластин трансформаторной стали, обмотки якоря, вентилятора (крыльчатки) и коллектора. Якорный коллектор имеет медные пластины (ламели), между которыми уложены прокладки из миканита.

Схема вращения дворников.

Якорь электродвигателя состоит из пакета пластин трансформаторной стали, якорной обмотки, вентилятора (крыльчатки) и коллектора.

Якорь двигателя вращается на двух подшипниках, расположенных в подшипниковых щитках. На валу якоря для охлаждения электродвигателя установлен центробежный вентилятор. Воздух засасывается через заслонки крышек подшипникового щита со стороны коллектора, проходит через машину и удаляется вентилятором через решетки верхнего подшипникового щита.

Опора электродвигателя вращается в двух самоустанавливающихся графитовых втулках из бронзы, пропитанных турбинным маслом.

Якорь двигателя собран из листов 7 такой же формы, что и рычаг двигателя ДП-4.Катушки 6 обмотки якоря намотаны на зубцы сердечника и изолированы от них планками платы электрокарты. Три выходных конца катушек якоря соединены друг с другом, а три других припаяны к трем пластинам коллектора, запрессованным в пластик.

Электродвигатели предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Их первые прототипы были созданы еще в 19 веке, и сегодня эти устройства максимально интегрированы в жизнь современного человечества.Примеры их использования можно найти в любой сфере жизни: от общественного транспорта до домашней кофемолки.


Электродвигатель: вид в разрезе

Принцип преобразования энергии

Принцип работы электродвигателя любого типа заключается в использовании электромагнитной индукции, которая возникает внутри устройства после подключения к сети. Чтобы понять, как создается эта индукция и заставляет элементы двигателя двигаться, следует обратиться к школьному курсу физики, который объясняет поведение проводников в электромагнитном поле.

Итак, если мы погрузим проводник в виде обмотки, по которой движутся электрические заряды, в магнитное поле, он начнет вращаться вокруг своей оси. Это связано с тем, что заряды находятся под действием механической силы, меняя свое положение на перпендикулярных силовых линиях магнитного поля. Можно сказать, что эта же сила действует на весь проводник.

Схема, показанная ниже, показывает токоведущую проводящую раму и два магнитных полюса, придающих ей вращательное движение.

Именно эта закономерность взаимодействия магнитного поля и токоведущей цепи с созданием электродвижущей силы лежит в основе функционирования электродвигателей всех типов. Для создания аналогичных условий в конструкцию устройства входят:

  • Ротор (обмотка) — подвижная часть станка, закрепленная на сердечнике и подшипниках вращения. Он действует как токопроводящая вращательная цепь.
  • Статор — это неподвижный элемент, который создает магнитное поле, действующее на электрические заряды ротора.
  • Корпус статора. Оснащен посадочными гнездами с зажимами для подшипников ротора. Ротор размещен внутри статора.

Чтобы представить конструкцию двигателя, вы можете создать принципиальную схему на основе предыдущей иллюстрации:

После включения этого устройства в сеть по обмоткам ротора протекает ток, который под действием возникающего на статоре магнитного поля придает ротору вращение, передаваемое на вращающийся вал.Скорость вращения, мощность и другие рабочие параметры зависят от конструкции конкретного двигателя и параметров электрической сети.

Классификация электродвигателей

Все двигатели классифицируются между собой в первую очередь по типу протекающего через них тока. В свою очередь, каждая из этих групп также делится на несколько типов в зависимости от технологических особенностей.
Двигатели постоянного тока

В двигателях постоянного тока малой мощности магнитное поле создается постоянным магнитом, установленным в корпусе устройства, а обмотка якоря закреплена на вращающемся валу.Принципиальная схема DPT выглядит следующим образом:

Обмотка, расположенная на сердечнике, изготовлена ​​из ферромагнитных материалов и состоит из двух частей, соединенных последовательно. Своими концами они соединены с пластинами коллектора, к которым прижаты графитовые щетки. Один из них получает от источника постоянного тока положительный потенциал, а другой — отрицательный.

После подачи питания на двигатель происходит следующее:

  1. Ток от нижней «плюсовой» щетки поступает на пластину коллектора, к которой она подключена.
  2. Ток, протекающий через обмотку к пластине коллектора (обозначенной красной пунктирной стрелкой), подключенной к верхней «отрицательной» щетке, создает электромагнитное поле.
  3. По правилу бурильщика, в правой верхней части якоря находится магнитное поле юга, а в левой нижней — магнитный полюс.
  4. Магнитные поля с одинаковым потенциалом отталкивают друг друга и приводят ротор во вращательное движение, обозначенное красной стрелкой на схеме.
  5. Расположение коллекторных пластин приводит к изменению направления протекания тока через обмотку во время инерционного вращения, и рабочий цикл повторяется снова.

Самый простой электродвигатель

При очевидной простоте конструкции существенным недостатком таких двигателей является низкий КПД из-за больших потерь энергии. Сегодня ДПТ с постоянными магнитами используются в простой бытовой технике и детских игрушках.

Конструкция двигателей постоянного тока большой мощности, используемых в производственных целях, не предполагает использования постоянных магнитов (они занимали бы слишком много места). В этих машинах используется следующая конструкция:

  • обмотка состоит из нескольких секций, которые представляют собой металлический стержень;
  • каждая обмотка подключена отдельно к положительному и отрицательному полюсам;
  • количество контактных площадок на коллекторном устройстве соответствует количеству обмоток.

Таким образом, снижение потерь мощности обеспечивается плавным подключением каждой обмотки к щеткам и источнику питания.На следующем рисунке показана конструкция якоря такого двигателя:

Конструкция электродвигателей постоянного тока позволяет легко изменить направление вращения ротора, просто изменив полярность источника питания.

Функциональные особенности электродвигателей определяются наличием некоторых «хитростей», к которым можно отнести перестановку токосъемных щеток и несколько схем подключения.

Смещение узла щетки токосъемника относительно вращения вала происходит после запуска двигателя и изменения нагрузки.Это позволяет компенсировать «реакцию якоря» — эффект, снижающий эффективность машины из-за торможения вала.

Есть три способа подключения DPT:

  1. Схема с параллельным возбуждением предусматривает параллельное включение независимой обмотки, обычно управляемой реостатом. Это обеспечивает максимальную стабильность скорости вращения и ее плавную регулировку. Именно благодаря этому двигатели с параллельным возбуждением находят широкое применение в подъемной технике, на электротранспорте и станках.
  2. В схеме с последовательным возбуждением также предусмотрено использование дополнительной обмотки, но она включена последовательно с основной обмоткой. Это позволяет при необходимости резко увеличить крутящий момент двигателя, например, при старте движения поезда.
  3. В смешанном контуре используются два описанных выше метода подключения.

Биполярный электродвигатель

Двигатели переменного тока

Основное отличие этих двигателей от описанных ранее моделей — ток, протекающий через их обмотки.Он описывает синусоидальный закон и постоянно меняет свое направление. Соответственно, питание этих двигателей обеспечивается генераторами переменного тока.

Одним из основных конструктивных отличий является статорное устройство, представляющее собой магнитопровод со специальными пазами для размещения витков обмотки.

Двигатели переменного тока

классифицируются по принципу работы на синхронные и асинхронные. Вкратце это означает, что в первом частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля в статоре, а во втором — нет.

Двигатели синхронные

Работа синхронных двигателей переменного тока также основана на принципе взаимодействия полей, возникающих внутри устройства, однако в их конструкции постоянные магниты закреплены на роторе, а обмотка проводится вдоль статора. Принцип их действия демонстрирует следующая схема:

Проводники обмотки, по которым проходит ток, показаны на рисунке рамкой. Вращение ротора следующее:

  1. В определенное время ротор с закрепленным на нем постоянным магнитом находится в свободном вращении.
  2. На обмотке в момент прохождения через нее положительной полуволны формируется магнитное поле с диаметрально противоположными полюсами Sst и Nst. Это показано в левой части приведенной выше диаграммы.
  3. Одинаковые полюса постоянного магнита и магнитного поля статора отталкиваются друг от друга и приводят двигатель в положение, показанное на правой стороне цепи.

В реальных условиях для создания постоянного плавного вращения двигателя используется не одна обмотка, а несколько.Они попеременно пропускают ток, через который создается вращающееся магнитное поле.

Двигатели асинхронные

В асинхронном двигателе переменного тока вращающееся магнитное поле создается тремя (для сети 380 В) обмотками статора. Их подключение к источнику питания осуществляется через клеммную коробку, а охлаждение — вентилятором, установленным в двигателе.

Ротор, собранный из нескольких замкнутых металлических стержней, жестко соединен с валом, составляя с ним единое целое.Именно из-за соединения стержней между самим ротором этого типа он называется короткозамкнутым. Из-за отсутствия токопроводящих щеток в этой конструкции значительно упрощается обслуживание двигателя, увеличивается срок службы и надежность. Основная причина выхода из строя этого типа двигателя — износ подшипников вала.

Принцип работы асинхронного двигателя основан на законе электромагнитной индукции — если частота вращения электромагнитного поля обмоток статора превышает частоту вращения ротора, в нем индуцируется электродвижущая сила.Это важно, так как на той же частоте не возникает ЭДС и, соответственно, нет вращения. Фактически, нагрузка на вал и сопротивление трения подшипников всегда замедляют ротор и создают достаточные условия для работы.

Основным недостатком этого типа двигателя является невозможность получения постоянной скорости вращения вала. Дело в том, что производительность устройства варьируется в зависимости от различных факторов. Например, без нагрузки на вал дисковая пила вращается с максимальной скоростью.Когда мы подносим доску к пильному диску и начинаем ее резать, скорость вращения диска заметно снижается. Соответственно уменьшается и скорость вращения ротора относительно электромагнитного поля, что приводит к наложению еще большей ЭДС. Это увеличивает потребляемый ток, и рабочая мощность двигателя увеличивается до максимальной.

Принцип электродвигателя

Важно выбрать двигатель подходящей мощности — слишком низкая приведет к повреждению короткозамкнутого ротора из-за превышения расчетного максимума ЭДС, а слишком высокая приведет к неоправданным затратам энергии.

Асинхронные двигатели переменного тока

предназначены для работы в трехфазной электрической сети, но также могут быть подключены к однофазной сети. Так, например, они используются в стиральных машинах и машинах для домашних мастерских. Однофазный двигатель имеет примерно на 30% меньшую мощность, чем трехфазный — от 5 до 10 кВт.

Ввиду простоты исполнения и надежности асинхронные двигатели переменного тока наиболее распространены не только в производственном оборудовании, но и в бытовой технике.

Универсальные коллекторные двигатели

Многие бытовые электроприборы требуют высокой скорости вращения двигателя и крутящего момента при малых пусковых токах и плавной регулировки. Всем этим требованиям удовлетворяют коллекторные двигатели, получившие название универсальных. По своей конструкции они очень похожи на двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.

Основным отличием от DPT является магнитная система, которая комплектуется несколькими изолированными друг от друга листами электротехнической стали, к полюсам которых присоединены две секции обмотки.Такая конструкция снижает нагрев элементов токами Фуко и перемагничивание.

Высокая синхронизация магнитных полей в универсальных коллекторных двигателях сохраняет высокую скорость вращения даже при большой нагрузке на вал. Поэтому они используются в маломощной высокоскоростной технике и бытовой технике. Когда регулируемый трансформатор подключен к цепи, можно плавно регулировать скорость.

Основным недостатком таких электродвигателей является низкий ресурс мотора, из-за быстрого стирания графитовых щеток.

Коллекторный двигатель — устройство и применение

Чтобы ответить на вопрос о том, что такое коллекторный двигатель, необходимо понимать, что вообще называется двигателем. А это электрическая машина, реверс генератора. Вместе генератор и двигатель называются машиной постоянного тока. Он предназначен для преобразования механической энергии в электрическую (то есть для работы в качестве генератора) или наоборот — из электрической в ​​механическую (для работы в качестве двигателя).Если оснастить синхронную машину постоянного тока коллектором, мы получим коллекторный двигатель. В режиме генератора коллектор будет выполнять роль выпрямителя, в режиме управления — преобразователя частоты. Именно благодаря ему через обмотку якоря протекает переменный ток, а во внешней цепи — постоянный.

Из всего вышесказанного следует, что коллекторный двигатель представляет собой электрическую синхронную машину, в которой датчик положения ротора и переключатель тока в обмотках представляют собой щеточно-канализационный узел.Естественно, как уже было сказано, он может просто стать генератором.

Самый маленький коллекторный двигатель (несколько ватт) состоит из таких обязательных частей, как трехполюсный ротор, подшипники скольжения, коллекторный блок (он также состоит из двух медных пластин-щеток), двухполюсный статор на постоянных магнитах. Самые маленькие приспособления этого типа используются в некоторых детских игрушках.

Коллекторный двигатель большей мощности имеет, как правило, многополюсный ротор, подшипники качения, коллектор на четырех графитовых щетках, четырехполюсный статор на постоянных магнитах.Именно моторы такой конструкции стоят в автомобилях, в приводах вентиляторов, в системах охлаждения и вентиляции, в насосах, дворниках и так далее. Основным достоинством такого устройства, как коллекторный двигатель, можно назвать простоту эксплуатации, ремонта и изготовления.

Устройства мощные (на несколько сотен ватт) содержат статоры на электромагнитах. Есть несколько основных способов подключения таких обмоток: последовательно к ротору (последовательное возбуждение, приличный максимальный крутящий момент, правда, высокие обороты холостого хода), параллельно ротору (так называемое параллельное возбуждение, которое можно назвать стабильностью витков, но к недостаткам можно отнести небольшой максимальный крутящий момент).Также есть варианты со смешанным и независимым возбуждением, но они используются редко.

Есть еще такая машина, как коллекторный двигатель переменного тока. Однако его нельзя рассматривать отдельно. Под такой машиной обычно понимают универсальный коллекторный двигатель. Это своего рода машина, которая работает как на постоянном, так и на переменном токе. Такое устройство получило широкое распространение в ручных электроинструментах и ​​в некоторых бытовых приборах благодаря небольшим размерам, весу, невысокой цене, простоте использования.Такой универсальный коллекторный двигатель можно напрямую подключать к сети, у него небольшой пусковой ток, простая схема управления.

p>

(PDF) Моделирование универсального двигателя с регулировкой скорости

Содержание

Аннотация ………………………… ………………………………………….. ………………………………………….. …. I

Благодарности …………………………………… ……………………………………………………………. III

Содержание .. ………………………………………….. ………………………………………….. ……………. V

1. Введение ………………………. ………………………………………….. …………………………………. 1

1.1. Цель данной работы ………………………………………. ………………………………………….. … 1

1.2. Краткое содержание диссертации …………………………………….. ………………………………………….. …… 1

2. Универсальные двигатели ………………………………. ………………………………………….. ………………….. 2

3. Исследуемая машина ………………. ………………………………………….. ……………………… 3

3.1. Дизайн…………………………………………. …………………………………………………… ………… 3

3.1.1. Статор …………………………………………. ………………………………………….. …………… 3

3.1.2. Ротор …………………………………………. ………………………………………….. ……………. 4

3.1.3. Коммутатор …………………………………………. ………………………………………….. ….. 4

3.2. Обмотки ……………………………………….. ………………………………………….. ………………. 5

3.2.1. Обмотка статора ………………………………………… ………………………………………….. .. 5

3.2.2. Обмотка ротора ………………………………………… ………………………………………….. … 5

3.3. Измеренная производительность ………………………………………… ……………………………………….. 8

4. Линейная модель ………………………………………… ………………………………………….. ………………. 9

4.1. Электрическая система ………………………………………… ………………………………………….. …. 10

4.1.1. Задняя ЭДС ………………………………………… ………………………………………….. …….. 10

4.2. Механическая система…………………………………………… ………………………………………… 12

4.2.1. Электромагнитный момент, создаваемый ротором …………………………………….. ….. 13

4.3. Электромеханическая система ………………………………………… …………………………………. 14

4.4. Реализация в Simulink ……………………………………….. ……………………………….. 14

4.5. Результаты моделирования с использованием линейной модели …………………………………… …………………. 15

5. Конечно-элементная модель ……………….. ………………………………………….. ………………………….. 17

5.1. Геометрические упрощения для моделирования методом конечных элементов (МКЭ) ……. 17

5.1.1. Статор …………………………………………. ………………………………………….. …………. 17

5.1.2. Ротор …………………………………………. ………………………………………….. ………….. 17

5.1.3. Вал ротора ………………………………………… ………………………………………….. …… 17

5.2. Флюс 2D ………………………………………… ………………………………………….. ………………. 18

5.3. Модель двигателя полного шага ……………………………………………………………. ………………….. 18

5.3.1. Геометрия…………………………………………. ………………………………………….. ……. 18

5.3.2. Электрическая цепь ………………………………………… ………………………………………….. 18

5.4. Модель двигателя с коротким шагом ……………………………………… ……………………………………… 19

В

3 Объяснение простых схем контроллера скорости двигателя постоянного тока

Схема, которая позволяет пользователю линейно управлять скоростью подключенного двигателя, вращая присоединенный потенциометр, называется схемой контроллера скорости двигателя.

Здесь представлены 3 простых в сборке схемы регулятора скорости для двигателей постоянного тока: одна с использованием полевого МОП-транзистора IRF540, вторая с использованием IC 555 и третья концепция с IC 556 с обработкой крутящего момента.

Дизайн № 1: Контроллер скорости двигателя постоянного тока на основе Mosfet

Очень крутая и простая схема контроллера скорости двигателя постоянного тока может быть построена с использованием всего одного МОП-транзистора, резистора и потенциометра, как показано ниже:

Использование Эмиттерный повторитель BJT

Как видно, МОП-транзистор настроен как повторитель источника или общий режим стока, чтобы узнать больше об этой конфигурации, вы можете обратиться к этому сообщению, в котором обсуждается версия BJT, тем не менее принцип работы остается тем же .

В приведенной выше конструкции контроллера двигателя постоянного тока регулировка потенциометра создает изменяющуюся разность потенциалов на затворе МОП-транзистора, а вывод истока МОП-транзистора просто следует за значением этой разности потенциалов и соответственно регулирует напряжение на двигателе.

Это означает, что источник всегда будет на 4 или 5 В отстать от напряжения затвора и будет меняться вверх / вниз с этой разницей, представляя переменное напряжение на двигателе от 2 до 7 В.

Когда напряжение затвора составляет около 7 В, вывод источника будет подавать минимум 2 В на двигатель, вызывая очень медленное вращение двигателя, и 7 В будет доступно на выводе источника, когда регулировка потенциометра генерирует полное напряжение 12 В на затворе. МОП-транзистора.

Здесь мы можем ясно видеть, что вывод истока МОП-транзистора, кажется, «следует» за затвором и, следовательно, за повторителем источника имени.

Это происходит потому, что разница между затвором и истоком МОП-транзистора всегда должна быть около 5В, чтобы МОП-транзистор работал оптимально.

В любом случае, вышеуказанная конфигурация помогает обеспечить плавное регулирование скорости двигателя, и конструкция может быть построена довольно дешево.

BJT может также использоваться вместо MOSFET, и фактически BJT будет обеспечивать более высокий диапазон регулирования от 1 В до 12 В на двигателе.

Video Demo

Когда дело доходит до управления скоростью двигателя равномерно и эффективно, контроллер на основе PWM становится идеальным вариантом, здесь мы узнаем больше о простой схеме для реализации этой операции.

Конструкция № 2: ШИМ-управление двигателем постоянного тока с помощью IC 555

Конструкцию простого контроллера скорости двигателя, использующего ШИМ, можно понять следующим образом:
Первоначально, когда схема запитана, контакт триггера находится в низком логическом положении, поскольку конденсатор С1 не заряжен.

Вышеупомянутые условия инициируют цикл колебаний, переводя выходной сигнал на высокий логический уровень.
При высоком выходном сигнале конденсатор заряжается через D2.

При достижении уровня напряжения, составляющего 2/3 напряжения питания, вывод 6, который является порогом срабатывания триггера IC.
Момент срабатывает на контакте №6, на контактах №3 и №7 устанавливается низкий логический уровень.

При низком уровне на выводе №3 C1 снова начинает разряжаться через D1, и когда напряжение на C1 падает ниже уровня, составляющего 1/3 напряжения питания, выводы №3 и №7 снова становятся высокими, вызывая цикл. следовать и повторять.

Интересно отметить, что C1 имеет два дискретно установленных пути для процесса зарядки и разрядки через диоды D1, D2 и через резистивные плечи, устанавливаемые потенциометром, соответственно.

Это означает, что сумма сопротивлений, с которыми сталкивается C1 во время зарядки и разрядки, остается неизменной независимо от того, как установлен потенциометр, поэтому длина волны выходного импульса всегда остается неизменной.

Однако, поскольку периоды времени зарядки или разрядки зависят от значения сопротивления, встречающегося на их пути, горшок дискретно устанавливает эти периоды времени в соответствии с его настройками.

Поскольку периоды времени заряда и разряда напрямую связаны с рабочим циклом выхода, они меняются в зависимости от настройки потенциометра, давая форму предполагаемым изменяющимся импульсам ШИМ на выходе.

Средний результат отношения метка / пространство дает выход ШИМ, который, в свою очередь, управляет скоростью двигателя постоянного тока.

Импульсы ШИМ подаются на затвор МОП-транзистора, который реагирует и регулирует ток подключенного двигателя в ответ на настройку потенциометра.

Уровень тока двигателя определяет его скорость и, таким образом, реализует управляющий эффект через потенциометр.

Частота на выходе ИС может быть рассчитана по формуле:

F = 1,44 (VR1 * C1)

МОП-транзистор может быть выбран в соответствии с требованиями или током нагрузки.

Принципиальная схема предлагаемого регулятора скорости двигателя постоянного тока представлена ​​ниже:

Прототип:

Видео-тестовое доказательство:

В приведенном выше видеоролике мы можем увидеть, как IC 555 основан на конструкция используется для управления скоростью двигателя постоянного тока.Как вы можете видеть, хотя лампочка отлично работает в ответ на ШИМ и меняет свою интенсивность от минимального свечения до максимально слабого, двигатель этого не делает.

Двигатель изначально не реагирует на узкие ШИМ, а запускается рывком после того, как ШИМ настроены на значительно более высокие значения длительности импульса.

Это не означает, что в цепи есть проблемы, это потому, что якорь двигателя постоянного тока плотно зажат между парой магнитов. Чтобы инициировать запуск, якорь должен совершить скачок своего вращения через два полюса магнита, что не может произойти при медленном и плавном движении.Он должен начинаться с укола.

Именно поэтому двигатель изначально требует более высокой настройки ШИМ, и как только начинается вращение, якорь получает некоторую кинетическую энергию, и теперь достижение более низкой скорости становится возможным с помощью более узких ШИМ.

Тем не менее, переход в состояние «еле-еле медленно» может оказаться невозможным по той же причине, что описана выше.

Я изо всех сил старался улучшить отклик и добиться максимально медленного управления ШИМ, сделав несколько модификаций на первой диаграмме, как показано ниже:

Сказав это, двигатель мог бы показать лучшее управление на более медленных уровнях, если бы двигатель прикреплен или обвязан грузом через шестерни или систему шкивов.

Это может произойти из-за того, что нагрузка действует как демпфер и помогает обеспечить контролируемое движение во время регулировки более низкой скорости.

Дизайн № 3: Использование IC 556 для улучшенного управления скоростью

Изменение скорости двигателя постоянного тока может показаться не таким сложным, и вы можете найти множество схем для этого.

Однако эти схемы не гарантируют постоянных уровней крутящего момента при более низких скоростях двигателя, что делает их работу весьма неэффективной.

Кроме того, на очень низких скоростях из-за недостаточного крутящего момента двигатель имеет тенденцию останавливаться.

Еще одним серьезным недостатком является то, что в этих схемах нет функции реверсирования двигателя.

Предлагаемая схема полностью лишена вышеуказанных недостатков и способна создавать и поддерживать высокие уровни крутящего момента даже при минимально возможных скоростях.

Работа схемы

Прежде чем обсуждать предлагаемую схему контроллера двигателя с ШИМ, мы также хотели бы изучить более простую альтернативу, которая не так эффективна. Тем не менее, его можно считать достаточно хорошим, если нагрузка на двигатель невелика, и пока скорость не снижается до минимального уровня.

На рисунке показано, как можно использовать одну микросхему 556 IC для управления скоростью подключенного двигателя, мы не будем вдаваться в подробности, единственный заметный недостаток этой конфигурации заключается в том, что крутящий момент прямо пропорционален скорости двигателя. .

Возвращаясь к предлагаемой конструкции схемы контроллера скорости с высоким крутящим моментом, здесь мы использовали две микросхемы 555 вместо одной или, скорее, одну микросхему 556, которая содержит две микросхемы 555 в одном корпусе.

Принципиальная схема

Основные характеристики

Вкратце, предлагаемый контроллер двигателя постоянного тока включает следующие интересные особенности:

Скорость можно плавно изменять от нуля до максимума, без остановки.

На крутящий момент никогда не влияют уровни скорости и он остается постоянным даже при минимальных уровнях скорости.

Вращение двигателя можно изменить или изменить за доли секунды.

Скорость регулируется в обоих направлениях вращения двигателя.

Двум микросхемам 555 назначены две отдельные функции. Одна секция сконфигурирована как нестабильный мультивибратор, генерирующий такты прямоугольной волны 100 Гц, которые подаются на предыдущую секцию 555 внутри корпуса.

Вышеупомянутая частота отвечает за определение частоты ШИМ.

Транзистор BC 557 используется в качестве источника постоянного тока, который поддерживает заряженным соседний конденсатор на его плече коллектора.

При этом на вышеуказанном конденсаторе создается пилообразное напряжение, которое сравнивается внутри микросхемы 556 IC с напряжением образца, приложенным извне по показанной схеме контактов.

Напряжение выборки, прикладываемое извне, может быть получено с помощью простой схемы источника питания с переменным напряжением 0–12 В.

Это изменяющееся напряжение, подаваемое на микросхему 556 IC, используется для изменения ШИМ импульсов на выходе и, в конечном итоге, используется для регулирования скорости подключенного двигателя.

Переключатель S1 используется для мгновенного изменения направления вращения двигателя, когда это необходимо.

Список деталей

  • R1, R2, R6 = 1K,
  • R3 = 150K,
  • R4, R5 = 150 Ом,
  • R7, R8, R9, R10 = 470 Ом,
  • C1 = 0,1 мкФ,
  • C2, C3 = 0,01 мкФ,
  • C4 = 1 мкФ / 25VT1,
  • T2 = TIP122,
  • T3, T4 = TIP127
  • T5 = BC557,
  • T6, T7 = BC547,
  • D1 — D4 = 1N5408,
  • Z1 = 4V7 400 мВт
  • IC1 = 556,
  • S1 = Тумблер SPDT

Приведенная выше схема была вдохновлена ​​следующей схемой драйвера двигателя, которая была опубликована давно в журнале Elecktor Electronic India.

Управление крутящим моментом двигателя с помощью IC 555

Первую схему управления двигателем можно значительно упростить, если использовать DPDT-переключатель для реверсирования двигателя и транзистор эмиттерного повторителя для управления скоростью, как показано ниже:

Precision Управление двигателем с помощью одного операционного усилителя

Чрезвычайно тонкое или сложное управление постоянным током. Двигатель может быть получен с помощью операционного усилителя и тахогенератора. Операционный усилитель выполнен в виде переключателя, чувствительного к напряжению.В схеме, показанной ниже, как только выходная мощность тахогенератора становится ниже, чем заданное опорное напряжение, переключающий транзистор включается, и на двигатель подается 100% мощность.

Переключение операционного усилителя произойдет всего за пару милливольт от опорного напряжения. Вам понадобится двойной источник питания, который может быть просто стабилитроном.

Этот контроллер мотора обеспечивает плавную регулировку диапазона без каких-либо механических проблем.

Выходной сигнал операционного усилителя составляет всего +/- 10% от уровня шины питания, таким образом, используя двойной эмиттерный повторитель, можно контролировать огромные скорости двигателя.

Опорное напряжение может быть зафиксировано с помощью термисторов, LDR и т. Д. Экспериментальная установка, указанная на принципиальной схеме, использовала операционный усилитель RCA 3047A и двигатель мощностью 0,25 Вт 6 В в качестве тахогенератора, который генерировал около 4 В при 13000. об / мин для предполагаемой обратной связи.

Дополнительные схемы :

ШИМ-управление двигателем с использованием только BJT

Следующая схема также использует принцип ШИМ для желаемого управления скоростью двигателя, однако он не зависит от каких-либо интегральных схем или IC, а использует только обычные BJT. для реализации.Я взял это со страницы старого журнала.

Цепи управления двигателем с использованием LM3524

IC LM3524 — это специализированная схема ШИМ-контроллера, которая позволяет нам конфигурировать очень полезные и точные схемы управления скоростью двигателя, как описано ниже:

На приведенной выше диаграмме показана базовая схема управления ШИМ-двигателем с использованием ИС. LM3524. Конструкция дополнительно включает управление обратной связью на основе датчика через микросхему LM2907.

К валу двигателя прикреплен небольшой магнит, так что во время вращения магнит проходит вплотную к трансформатору со считывающей катушкой с железным сердечником.Этот механизм заставляет вращающийся магнит индуцировать резкий электрический импульс в считывающей катушке, который используется LM2907 в качестве входа триггера и соответствующим образом обрабатывается как импульс управления обратной связью для LM3524 IC.

Система обратной связи гарантирует, что заданная скорость никогда не может отклоняться от заданной, обеспечивая точное управление скоростью. Гнездо на штыре № 2 LM3524 используется для управления скоростью двигателя.

Бездатчиковое управление, без обратной ЭДС двигателя

Следующая конструкция ШИМ-управления скоростью LM3525 позволяет осуществлять управление с обратной связью без использования сложного механизма тахометра или громоздких датчиков, как это было реализовано в предыдущей конструкции.

Здесь обратная ЭДС двигателя используется в качестве сигнала обратной связи и подается на вход IC LF198. В случае, если скорость имеет тенденцию к превышению установленного уровня, LF198 сравнивает нарастающий сигнал ЭДС с эталонным сигналом выборки с выхода LM393. Результирующий выходной сигнал отправляется на усилитель ошибки микросхемы LM3524 для необходимой обработки выходного ШИМ на транзисторы драйвера. Управляемый ШИМ благодаря этой обратной связи без датчика через обратную ЭДС в конечном итоге позволяет двигателю оставаться точно зафиксированным на правильной скорости, которая регулируется потенциометром на контакте №2.

Электродвигатель универсальный взрывозащищенный JP-460 для бочковых насосов

Привод JP-460 — это компактный, прочный взрывозащищенный универсальный двигатель, изготовленный и утвержденный в соответствии с последними директивами по взрывозащите (ATEX 2014/34 / EC) и IECEx. Коллекторный двигатель является взрывозащищенным по стандарту II 2G Ex db IIC T6 Gb и имеет сертификат проверки типа EC Bureau Veritas 17 ATEX 1 088 X и IECEx EPS 17.0045 X. Электродвигатель Ex-JP-460 предлагает в дополнение к Пневматические двигатели обеспечивают максимальную защиту при перекачивании горючих сред или при использовании во взрывоопасных средах.В таких случаях отдельные разрешения на приводной двигатель и насосную трубку в соотв. директивы ATEX 2014/34 / EC обязательны.

Удобное и мощное устройство (6 кг) может использоваться в качестве привода для безуплотненных насосных трубок из нержавеющей стали, сертифицированных ATEX (Ø 41 мм), трубок смесительных насосов из нержавеющей стали, насосных трубок из нержавеющей стали с механическим уплотнением. или полная функция опорожнения бочки и эксцентриковые винтовые насосные трубки серии JP-700 SR PTFE ATEX. В этой комбинации привод подходит для многих жидких и вязких, нейтральных, слабоагрессивных и легковоспламеняющихся сред с температурой вспышки ниже 55 ° C.Его сложная, технически понятная структура обеспечивает эффективное и безопасное использование при передаче широкого диапазона носителей.

Двигатель барабанного насоса помимо прочности отличается элегантным дизайном и простотой использования. Нестационарный и стационарный привод особенно подходит для прерывистой работы. Как двигатель с внешней вентиляцией, он имеет оптимальное воздушное охлаждение, низкий уровень шума и обеспечивает высокую эксплуатационную безопасность и длительный срок службы.

Стандартный встроенный выключатель низкого напряжения предназначен для предотвращения неконтролируемого пуска двигателя бочкового насоса после сбоя питания или падения напряжения.Таким образом гарантируется максимальная безопасность.

Максимальная плотность среды для универсального двигателя JP-460 1,5, максимальная вязкость 600 мПа · с.

Подтягивающий резистор и понижающий резистор объяснены

Цифровые логические вентили могут использоваться для подключения к внешним цепям или устройствам, но необходимо следить за тем, чтобы их входы или выходы работали правильно и обеспечивали ожидаемые условия переключения.

Современные цифровые логические вентили, ИС и микроконтроллеры содержат множество входов, называемых «выводами», а также один или несколько выходов, и эти входы и выходы должны быть правильно установлены, либо ВЫСОКИЙ, либо НИЗКИЙ, чтобы цифровая схема работала правильно.

Мы знаем, что логические вентили являются основным строительным блоком любой цифровой логической схемы и что, используя комбинации трех основных вентилей, логического элемента И, элемента ИЛИ и элемента НЕ, мы можем построить довольно сложные комбинационные схемы. Но будучи цифровыми, эти схемы могут иметь только одно из двух логических состояний, называемых состоянием логического «0» или состоянием логической «1».

Эти логические состояния представлены двумя разными уровнями напряжения, при этом любое напряжение ниже одного уровня рассматривается как логический «0», а любое напряжение выше другого уровня рассматривается как логическая «1».Так, например, если два уровня напряжения — 0 В и + 5 В, то 0 В представляет логический «0», а + 5 В представляет логическую «1».

Если входы цифрового логического элемента или схемы находятся за пределами диапазона, в котором они могут быть восприняты как вход логического «0» или логической «1», тогда цифровая схема может ложно сработать, как элемент или схема. не распознает правильное входное значение, так как HIGH может быть недостаточно высоким или LOW может быть недостаточно низким.

Например, рассмотрим цифровую схему слева.Два переключателя, «a» и «b», представляют входы для общего логического элемента. Когда переключатель «a» замкнут (ON), вход «A» подключен к земле (0 В) или логическому уровню «0» (LOW), и аналогично, когда переключатель «b» замкнут (ON), вход «B» также подключен к земле, логический уровень «0» (НИЗКИЙ), и это правильное условие, которое нам необходимо.

Однако, когда переключатель «а» разомкнут (ВЫКЛ.), Какое значение будет иметь напряжение, приложенное к входу «А», ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ? Мы предполагаем, что это будет + 5В (ВЫСОКИЙ), поскольку переключатель «a» разомкнут и, следовательно, вход «A» не замкнут на землю, но это может быть не так.Поскольку вход теперь фактически не подключен к определенному ВЫСОКОМ или НИЗКОМУ состоянию, он имеет потенциал «плавать» в диапазоне от 0 В до + 5 В (Vcc), позволяя входу самосмещаться при любом уровне напряжения, независимо от того, представляет ли он ВЫСОКИЙ или НИЗКОЕ состояние.

Эта неопределенная ситуация может привести к тому, что цифровой вход в «A» останется на логическом уровне «0» (LOW), когда переключатель открыт, когда нам действительно нужна логическая «1» (HIGH), что приведет к ложному срабатыванию логического элемента. переключите выход на «Q». Также, оказавшись там, этот плавающий и слабый входной сигнал может легко изменить значение при малейших помехах или шумах от его соседних входов или даже может вызвать колебание, делая затвор практически непригодным для использования.То же самое и с переключением входа «B».

Затем, чтобы предотвратить случайное переключение цифровых цепей, любые неподключенные входы, называемые «плавающими входами», должны быть привязаны к логической «1» или логическому «0» в зависимости от схемы. Мы можем легко сделать это, используя так называемые подтягивающие резисторы , и подтягивающие резисторы , чтобы придать входному выводу определенное состояние по умолчанию, даже если переключатель разомкнут, замкнут или к нему ничего не подключено. .

При создании цифровых электронных схем, как правило, у вас остается несколько запасных вентилей или защелок в одном корпусе ИС, или конструкция схемы приводит к тому, что используются не все входы вентилей с несколькими входами. Эти неиспользуемые логические входы могут быть связаны вместе или подключены к фиксированному напряжению, используя резистор высокого номинала либо к напряжению Vcc, известному как подтягивающее, либо через резистор низкого номинала к 0 В (GND), известному как подтягивающий. Эти неиспользуемые входы никогда не следует оставлять беспорядочными.

Подтягивающие резисторы

Наиболее распространенный метод обеспечения того, чтобы входы цифровых логических вентилей и схем не могли самосмещаться и плавать, заключается в подключении неиспользуемых контактов непосредственно к земле (0 В) для постоянного низкого входа «0» (ИЛИ и ИЛИ ИЛИ вентили) или напрямую к Vcc (+ 5В) для постоянного высокого уровня «1» на входе (вентили И и И-НЕ). Хорошо, давайте снова посмотрим на наши два переключаемых входа сверху.

На этот раз, чтобы остановить два входа, A и B, от «плавающего» состояния, когда соответствующие переключатели «a» и «b» разомкнуты (ВЫКЛ.), Два входа подключаются к источнику питания +5 В.

Вы можете подумать, что это будет работать нормально, так как когда переключатель «a» разомкнут (OFF), вход подключен к Vcc (+ 5V), а когда переключатель замкнут (ON), вход подключен к земле, как и раньше, тогда входы «A» или «B» всегда имеют состояние по умолчанию, независимо от положения переключателя.

Однако это плохое состояние, потому что, когда один из переключателей замкнут (ВКЛ), произойдет прямое короткое замыкание между питанием + 5 В и землей, что приведет к чрезмерному протеканию тока либо срабатыванию предохранителя, либо к повреждению цепи, которая не хорошие новости.Один из способов решить эту проблему — использовать подтягивающий резистор, подключенный между входным контактом и шиной питания + 5 В, как показано.

Применение подтягивающего резистора

При использовании этих двух подтягивающих резисторов, по одному на каждый вход, когда переключатель «A» или «B» разомкнут (ВЫКЛ), вход эффективно подключается к шине питания + 5 В через подтягивающий резистор. В результате, поскольку на входе логического элемента очень мало входного тока, на подтягивающем резисторе падает очень небольшое напряжение, поэтому почти все напряжение питания +5 В подается на входной вывод, создавая ВЫСОКОЕ, логическое состояние « 1 ”состояние.

Когда переключатели «A» или «B» замкнуты, (ON) вход закорочен на землю (LOW), создавая состояние логического «0», как и раньше, на входе. Однако на этот раз мы не закорачиваем шину питания, так как подтягивающий резистор пропускает через замкнутый переключатель только небольшой ток (в соответствии с законом Ома) на землю.

При использовании подтягивающего резистора таким образом, вход всегда имеет логическое состояние по умолчанию, либо «1», либо «0», высокий или низкий, в зависимости от положения переключателя, таким образом достигается правильная функция вывода. затвора в точке «Q» и, следовательно, предотвращение плавающего или самосмещения входа дает нам именно то условие переключения, которое нам требуется.

Хотя соединение между Vcc и входом (или выходом) является предпочтительным методом использования подтягивающего резистора, возникает вопрос, как рассчитать значение сопротивления, необходимое для обеспечения правильной работы входа.

Расчет номинала подтягивающего резистора

Все цифровые логические вентили, схемы и микроконтроллеры ограничены не только своим рабочим напряжением, но и способностью принимать ток и источник питания каждого входного контакта. Цифровые логические схемы работают с использованием двух двоичных состояний, которые обычно представлены двумя различными напряжениями: высокое напряжение V H для логической «1» и низкое напряжение V L для логического «0».Но в каждом из этих двух состояний напряжения существует диапазон напряжений, который определяет верхнее и нижнее напряжения этих двух двоичных состояний.

Так, например, для серии цифровых логических вентилей TTL 74LSxxx показаны диапазоны напряжения, представляющие логический уровень «1» и логический уровень «0».

Где: В IH (мин.) = 2,0 В — минимальное входное напряжение, которое гарантированно распознается как вход логической «1» (высокий), а В IL (макс.) = 0,8 В — максимальное входное напряжение, гарантированное для распознаваться как вход логического «0» (низкий).

Другими словами, входные сигналы TTL 74LSxxx между 0 и 0,8 В считаются «НИЗКИМИ», а входные сигналы между 2,0 и 5,0 В считаются «ВЫСОКИМИ». Любое напряжение между 0,8 и 2,0 вольт не распознается как логическая «1» или логический «0».

Когда логические вентили соединены вместе, ток протекает между выходом одного логического элемента и входом другого. Величина тока, необходимого для входа базового логического элемента TTL, зависит от того, является ли вход логическим «0» (LOW) или логической «1» (HIGH), поскольку это создает действие источника тока для логического «0» и действие по снижению тока для логической «1».

Когда вход логического элемента ВЫСОКИЙ, ток течет на вход TTL, поскольку вход действует в основном как путь, подключенный непосредственно к земле. Этот входной ток, I IH (max) , имеет положительное значение, поскольку он течет «в» вентиль, и для большинства входов TTL 74LSxxx имеет значение 20 мкА.

Аналогично, когда вход логического элемента LOW, ток течет из входа TTL, поскольку вход действует в основном как путь, подключенный непосредственно к Vcc. Этот входной ток, I IL (max) , имеет отрицательное значение, поскольку он течет «вне» затвора, и для большинства входов TTL 74LSxxx имеет значение -400 мкА, (-0.4 мА).

Обратите внимание, что значения ВЫСОКОГО и НИЗКОГО напряжений и токов различаются между семействами логики TTL, а также намного, намного ниже для семейств логики CMOS. Кроме того, требования к входному напряжению и току для микроконтроллеров, PIC, Arduino, Raspberry Pie и т. Д. Также будут отличаться, поэтому сначала ознакомьтесь с их техническими данными.

Зная информацию выше, мы можем рассчитать максимальное значение подтягивающего резистора, необходимое для одного логического элемента серии TTL 74LS, как:

Подтягивающий резистор с одним затвором, номинал

Тогда, используя закон Ома, максимальное подтягивающее сопротивление, необходимое для падения 3 В для одного логического элемента серии TTL 74LS, будет 150 кОм.Хотя это рассчитанное значение будет работать, оно не оставляет места для ошибки, поскольку падение напряжения на резисторе максимально, а входной ток минимален.

В идеале мы бы хотели, чтобы логическая «1» была как можно ближе к Vcc, чтобы гарантировать 100%, что затвор видит ВЫСОКИЙ (логическая 1) вход через подтягивающий резистор. Уменьшение значения сопротивления этого подтягивающего резистора даст нам больший предел погрешности, если допуск резистора или напряжение питания не будут такими, как рассчитано.Однако мы не хотим, чтобы значение резистора было слишком низким, так как это увеличивает ток в затвор, увеличивая рассеиваемую мощность.

Итак, если мы предположим, что падение напряжения на резисторе всего на один вольт (1,0 В) дает удвоенное входное напряжение при 4 вольтах, быстрый расчет даст нам значение одного подтягивающего резистора 50 кОм. Дальнейшее уменьшение значения сопротивления приведет к меньшему падению напряжения, но увеличит ток. Затем мы можем видеть, что, хотя может быть максимально допустимое значение сопротивления, значение сопротивления для подтягивающих резисторов обычно не так критично с приемлемыми значениями сопротивления в диапазоне от 10 кОм до 100 кОм.

Этот простой пример выше дает нам максимальное значение подтягивающего резистора, необходимого для смещения одного затвора TTL. Но мы также можем использовать тот же резистор для смещения нескольких входов до значения логической «1». Например, предположим, что мы построили цифровую схему и есть десять неиспользуемых входов логических вентилей. Поскольку один стандартный вентиль TTL 74LS имеет входной ток I IH (max) 20 мкА (также называемый разветвлением 1), то для десяти логических вентилей TTL потребуется общий ток: 10 x 20 мкА = 200 мкА. представляет собой разветвление 10.

Таким образом, максимальное значение сопротивления подтягивающего резистора, необходимого для питания десяти неиспользуемых входов, будет рассчитано следующим образом:

Значение повышающего резистора с несколькими затворами

Здесь разветвление дано как 10, но если «n» входов TTL соединены вместе, тогда ток через сопротивление будет «n» умножить на I IH (max) . Опять же, как и раньше, это сопротивление 15 кОм может быть точным расчетным значением, но не оставляет места для ошибки, поэтому уменьшение падения напряжения до одного вольта (или любого другого значения) дает значение сопротивления всего 5 кОм.

Пример №1 Подтягивающего резистора

Два входа TTL 74LS00 NAND вместе с однополюсным двухпозиционным переключателем должны использоваться для создания простого бистабильного триггера Set-Rest. Рассчитайте: 1). Максимальные значения подтягивающего резистора, если напряжение, представляющее ВЫСОКИЙ логический вход, должно поддерживаться на уровне 4,5 В при разомкнутом переключателе, и 2). Ток, протекающий через резистор, когда переключатель замкнут (предположим, что сопротивление контакта нулевое). Также нарисуйте схему.

Приведены данные: Vcc = 5 В, V IH = 4.5 В и I IH (макс.) = 20 мкА

1). Номинал подтягивающего резистора, R MAX

2). Ток резистора, I R

Бистабильная схема установки и сброса

Понижающие резисторы

A Понижающий резистор работает так же, как и предыдущий подтягивающий резистор, за исключением того, что на этот раз вход логических элементов привязан к земле, логический уровень «0» (НИЗКИЙ) или он может перейти в ВЫСОКИЙ уровень из-за срабатывания механический переключатель.Эта конфигурация понижающего резистора особенно полезна для цифровых схем, таких как защелки, счетчики и триггеры, которые требуют положительного одноразового триггера, когда переключатель на мгновение замыкается, чтобы вызвать изменение состояния.

Хотя может показаться, что они работают так же, как подтягивающий резистор, значение сопротивления пассивного понижающего резистора более критично для логических вентилей TTL, чем для аналогичных вентилей CMOS. Это связано с тем, что входные сигналы TTL намного больше выходят за пределы своего входа в состоянии LOW.

Из вышесказанного мы видели, что максимальный уровень напряжения, который представляет собой логический «0» (низкий) для логического элемента серии TTL 74LSxxx, находится в пределах от 0 до 0,8 В (V IL (MAX) = 0,8 В). Также, когда НИЗКИЙ, затвор выдает ток до значения 400 мкА (I IL = 400 мкА). Таким образом, максимальное значение понижающего резистора для одного логического элемента TTL рассчитывается как:

Номинальное значение понижающего резистора с одним затвором

Тогда максимальное значение сопротивления понижающего сопротивления рассчитывается как 2 кОм.Опять же, как и при расчетах подтягивающего резистора, это значение резистора 2 кОм не оставляет места для ошибки, поскольку падение напряжения максимальное. Таким образом, если сопротивление слишком велико, падение напряжения на понижающем резисторе может привести к выходу входного напряжения затвора за пределы нормального диапазона НИЗКОГО напряжения, поэтому для обеспечения правильного переключения лучше иметь входное напряжение 0,5 В или меньше.

Следовательно, если мы предположим, что падение напряжения на резисторе составляет всего 0,4 В, быстрый расчет даст нам единичное значение сопротивления понижающего сопротивления 1 кОм.Дальнейшее уменьшение значения сопротивления приведет к меньшему падению напряжения, связывающему вход дальше с землей (низкое). Это значение из таблицы данных 400 мкА или 0,4 мА (I IL ) является минимальным значением НИЗКОГО тока, но оно может быть выше.

Кроме того, соединение входов вместе приведет к большему току через резистор. Например, разветвление 10 приведет к 10 x 400 мкА = 4,0 мА, что потребует сопротивления понижающего сопротивления 100 Ом.

Но вы можете подумать, зачем вообще использовать понижающий резистор, если прямое соединение с землей (0 В) приведет к требуемому НИЗКОМУ ?.Прямое соединение с землей без понижающего резистора, безусловно, будет работать в большинстве случаев, но поскольку вход затвора постоянно привязан к земле, использование резистора ограничивает ток, протекающий на входе, тем самым уменьшая потери мощности, сохраняя при этом состояние логического «0».

Выходы с открытым коллектором

До сих пор мы видели, что можем использовать либо подтягивающий резистор, либо понижающий резистор для управления уровнем напряжения логического элемента. Но мы также можем использовать подтягивающие резисторы на выходе затвора, чтобы обеспечить возможность подключения различных технологий затвора, например, TTL к CMOS или для приложений управления линиями передачи, которые требуют более высоких токов и напряжений.

Чтобы преодолеть это, некоторые логические вентили производятся с коллектором внутренней выходной схемы вентилей, оставленным открытым, что означает, что логический вентиль фактически не управляет выходом ВЫСОКОГО уровня, а только НИЗКОГО, поскольку это работа внешнего подтягивающего резистора это. Одним из примеров этого является TTL 74LS01, четырехъядерный логический элемент NAND с 2 входами, который имеет выходы с открытым коллектором, в отличие от стандартного TTL 74LS00, четырехканального логического элемента NAND с 2 входами.

Открытый коллектор (OC) или открытый сток для CMOS, выходы обычно используются в ИС буфера / инвертора / драйвера (TTL 74LS06, 74LS07), что позволяет получить больший выходной ток и / или напряжение, чем при обычной логике. ворота.Например, для управления большой нагрузкой, такой как светодиодный индикатор, маленькое реле или двигатель постоянного тока. В любом случае принцип и использование подтягивающего резистора почти такие же, как и для входа.

Логические вентили, микроконтроллеры и другие подобные цифровые схемы, которые имеют выходы с открытым коллектором, не могут поднять свои выходы на ВЫСОКИЙ уровень, поскольку нет внутреннего пути к напряжению питания (Vcc). Это состояние означает, что их выход либо заземлен, когда НИЗКИЙ, либо плавающий, когда ВЫСОКИЙ, поэтому внешний подтягивающий резистор (Rp) должен быть подключен от вывода с открытым коллектором понижающего транзистора к источнику питания Vcc.

При подключенном подтягивающем резисторе выход по-прежнему работает так же, как и обычный логический вентиль, в том смысле, что когда выходной транзистор ВЫКЛЮЧЕН (открыт), выход имеет высокий уровень, а когда транзистор включен (закрыт), выход НИЗКИЙ. Таким образом, транзистор включается, чтобы перевести выходной сигнал на НИЗКИЙ уровень.

Размер подтягивающего резистора зависит от подключенной нагрузки и падения напряжения на резисторе, когда транзистор выключен. Когда на выходе низкий уровень, транзистор должен пропускать ток нагрузки через подтягивающий резистор.Точно так же, когда выход ВЫСОКИЙ, ток через подтягивающий резистор должен быть достаточно высоким для всего, что к нему подключено.

Как мы видели ранее с входом, выход цифрового логического элемента работает с использованием двух двоичных состояний, которые представлены двумя различными напряжениями: высокое напряжение V H для логической «1» и низкое напряжение V L для логики. «0». В каждом из этих двух состояний напряжения существует диапазон напряжений, который определяет их верхнее и нижнее напряжения.

В ОН (мин.) — минимальное выходное напряжение, которое гарантированно распознается как выход логической «1» (ВЫСОКИЙ), а для TTL это значение составляет 2,7 вольт. V OL (max) — это максимальное выходное напряжение, которое гарантированно распознается как выход логического «0» (LOW), а для TTL это значение составляет 0,5 вольт. Другими словами, выходное напряжение TTL 74LSxxx от 0 до 0,5 В считается «НИЗКИМ», а выходное напряжение от 2,7 до 5,0 В считается «ВЫСОКИМ».

Таким образом, при использовании логических вентилей с открытым коллектором значение требуемого подтягивающего резистора определяется по следующему уравнению:

Значение подтягивающего резистора с открытым коллектором

Где значения для NAND с открытым коллектором 7401 даны как: Vcc = 5V, V OL = 0.5 В, а I OL (макс.) = 8 мА. Обратите внимание, что важно рассчитать подходящий подтягивающий резистор Rp, поскольку ток через резистор не должен превышать I OL (max) .

Ранее мы говорили, что логические вентили с открытым коллектором идеально подходят для управления нагрузками, требующими более высоких уровней напряжения и тока, такими как светодиодный индикатор. Шестнадцатеричный буфер / драйвер инвертора TTL 74LS06 имеет номинальное значение I OL (макс.) , равное 40 мА (вместо 8 мА для 74LS01), и номинальное значение V OH (макс.) , равное 30 вольт вместо обычных 5 вольт (но Сама ИС ДОЛЖНА использовать источник питания 5 В).Тогда 74LS06 позволит нам управлять нагрузкой с током до 40 мА.

Пример 2 Подтягивающего резистора

Шестигранный драйвер инвертора 74LS06 требуется для управления одним красным светодиодным индикатором от источника питания 12 В. Если для светодиода требуется 15 мА при падении напряжения 1,7 В, а напряжение V OL инвертора HEX при полном включении составляет 0,1 В, рассчитайте значение резистора ограничения тока, необходимого для управления светодиодом.

Мы можем использовать драйверы с открытым коллектором аналогичным образом для управления небольшими электромеханическими реле, лампами или двигателями постоянного тока, поскольку для правильной работы этим устройствам обычно требуется 5 В или 12 В или более при токе примерно от 10 до 20 мА.

Два или более выхода с открытым коллектором затворов TTL могут быть напрямую соединены вместе и связаны через один внешний подтягивающий резистор. Результатом является то, что выходы эффективно объединяются вместе, поскольку комбинация ведет себя так, как если бы вентили были подключены к логическому элементу И. Этот тип конфигурации называется проводной логикой И.

Сводка по подтягивающему резистору

Мы видели здесь в этом руководстве о пассивных подтягивающих и понижающих резисторах, которые, когда остаются разомкнутыми, входы цифровых логических вентилей могут самосмещаться или плавать до любого логического уровня, который они выбирают, и могут возникать многие ошибки переключения. прослеживается до неподключенных и плавающих входных контактов.

Подтягивающий резистор соединяет неиспользуемые входные контакты (логические элементы И и И-НЕ) с напряжением питания постоянного тока (Vcc), чтобы поддерживать данный вход ВЫСОКИМ. Понижающий резистор соединяет неиспользуемые входные контакты (логические элементы ИЛИ и ИЛИ-НЕ) с землей (0 В), чтобы поддерживать данный вход в НИЗКОМ состоянии. Значение сопротивления подтягивающего резистора обычно не так критично, но оно должно поддерживать напряжение на входном контакте выше V IH . Обычно используются подтягивающие резисторы 10 кОм, но их значения могут находиться в диапазоне от 1 кОм до 100 кОм.

Понижающие резисторы

немного более важны из-за низкого уровня входного напряжения, V IL (max) и более высокого тока I IL .Чаще всего используются понижающие резисторы 100 Ом, но они могут иметь значение сопротивления от 50 до 1 кОм.

Цифровые логические вентили с выходами с открытым коллектором (в случае логики TTL) или выходами с открытым стоком (в случае логики CMOS) необходимо подключить к внешнему подтягивающему резистору между их выходным контактом и источником питания постоянного тока.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.