Универсальный коллекторный двигатель: конструкция, принцип работы и сфера применения

Благодаря коллекторному узлу универсальный электромотор позволяет плавно менять интенсивность вращения вала, снижая ударные нагрузки на механические приводы. Это благотворно сказывается на сроке службы механизмов. Универсальный коллекторный двигатель представляет собой мотор, обладающий малой выходной мощностью. Его устройство и принцип действия спроектированы на основе схемы последовательного возбуждения, которое протекает в обмотке, разделенной на самостоятельные секции. Это позволяет применять данный агрегат в бытовых приборах, которые могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. При этом крутящий момент, мощность и общий коэффициент полезного действия коллекторного мотора остаются неизменными. Также универсальные коллекторные двигатели используются в других разновидностях быстроходных приводов, для пуска которых достаточно сравнительно низкой мощности стартера.

Особенности универсального мотора с коллектором

Типовое устройство универсальных коллекторных двигателей имеет несколько отличий от стандартной разновидности моторов постоянного тока. Прежде всего, отличается конструкция статора, который оснащен магнитной системой, собранной из сегментов из электротехнической стали. Каждый сегмент имеет выступающие полюсы и две секции обмотки возбуждения. Части обмотки соединяются с якорем таким образом, что двигатель способен функционировать только с последовательным возбуждением. Секции размещены по обе стороны от выводов якоря: это позволяет уменьшать интенсивность создаваемых двигателем радиопомех, которые генерируются между щетками и ламелями коллектора. Такая схема универсального коллекторного двигателя особенно эффективно гасит помехи при работе на переменном токе, который ухудшает коммутацию и в свою очередь повышает уровень радиошума. Коллекторные двигатели делают несколькими способами, которые определяют тип соединения обмотки возбуждения и якоря. Они могут быть связаны непосредственно внутри агрегата либо обмотка оснащается собственными наружными зажимами. Последние облегчают процесс изменения направления движения вала, для чего достаточно поменять местами провода, подходящие к зажимам якоря или обмотки возбуждения. Принцип работы и конструкция якоря при этом остается типовой для любого электродвигателя постоянного тока; его обмотка связана с коллекторными пластинами, взаимодействующими со щеточным массивом. Чтобы запустить процесс работы универсального электродвигателя с коллектором, необходимо подключить его в сеть. При этом нужно проследить за соответствием уровня напряжения в выбранной сети и номинальным показателем, указанным на шильдике двигателя или в руководстве по эксплуатации. Конструкция универсального коллекторного двигателя напрямую не влияет на скорость вращения ротора. Этот показатель прямо пропорционален уровню напряжения на якорных зажимах. Также скорость движения вала обратно пропорциональна амплитуде магнитного поля, которая в свою очередь зависит от текущей нагрузки на двигатель. Выдаваемые технические показатели зависят от типа агрегата, в составе которого работают коллекторные двигатели. Универсальные способы подключения позволяют адаптировать их под любой характер частоты тока, однако здесь наблюдается разница в КПД. Чтобы подобрать тип энергоснабжения и модель двигателя, необходимо знать, почему происходит корреляция. Подключая такой стартер к сети постоянного напряжения, можно наблюдать падение напряжения из-за сопротивления, которое присутствует в якоре и обмотках возбуждения. Во время интеграции двигателя в сеть переменного тока, кроме вышеупомянутого явления, возникает индукционное снижение напряжения. Также переменный ток способен негативно влиять на крутящий момент. Причиной этому является сдвиг фаз при низких оборотах ротора. Чтобы добиться от двигателя примерно одинаковых рабочих показателей во время питания от переменного и постоянного тока следует правильно использовать возможности сегментированной обмотки возбуждения. Если мотор запитан постоянным током, включение обмотки выполняется целиком по всему ее контуру, а если доступен только переменный ток, обмотка должна быть задействована частично. Для реализации этого подхода необходимо использовать определенные зажимы, соответствующие тому или иному сегменту обмотки. Якорь вращается с одинаковой скоростью, если режим работы остается в пределах штатной нагрузки соответственно характеристикам при переменном или постоянном токе. Если перегрузить мотор, подключенный к переменному току, темп снижения скорости будет выше, а при снижении нагрузки обороты будут увеличиваться быстрее, чем если двигатель работал бы на постоянном напряжении. Холостой ход якоря зачастую сопровождается его чрезмерным разгоном. Как правило, скорость превышает предельно допустимую в 3-4 раза. Этого следует избегать для предупреждения механического ущерба, который наносит возрастающая центробежная сила. Это определяет наличие режима холостого хода только у маломощных моделей коллекторных двигателей, для которых характерна высокая потеря крутящего момента. Если потери КПД являются незначительными, в процессе эксплуатации следует соблюдать уровень нагрузки не менее четверти от номинальной величины, заложенной при проектировании двигателя. Для регулирования скорости вращения ротора выполняется изменение уровня напряжения непосредственно на зажимах. Иногда допустимо применение методики шунтирования обмотки якоря или возбуждения при помощи резистора. Также есть возможность полюсного регулирования, которое подразумевает параллельное подключение обмотки возбуждения резистора. Последний способ зарекомендовал себя как наиболее экономичный по части энергопотребления двигателя. Сравнивая универсальный коллекторный мотор с синхронными и асинхронными аналогами, можно выделить главное преимущество последовательной обмотки возбуждения – повышенный крутящий момент во время запуска. Это позволяет исключить из привода редуктор, который работал бы на повышение момента вала.

Компоненты коллекторного двигателя

Общепринятая конструкция данного типа стартеров практически не отличается от ближайших конкурентов. Обычно он включает следующие компоненты:

• якорь. Это основной компонент любого электродвигателя, через который выполняется преобразование электродвижущей силы во вращательное движение, передающееся на привод. Якорем является железная ось, на которой находится ротор;
• ротор непосредственно связан с вращающимся якорем и внешним видом напоминает барабан. Двигаясь внутри статора, ротор принимает напряжение и находится под воздействием магнитного поля;
• подшипники располагаются на обеих концах якоря и являются точками его опоры и фиксации в корпусе электродвигателя. Быстроходные системы требуют установки усиленных подшипников, имеющих больший температурный предел и уровень сопротивления износу;
• щетки предназначены для переноса электрических импульсов в обмотки через коллектор. Для их производства используется специализированный графит;
• коллектор – один из главных компонентов одноименного типа электрических двигателей. Получая энергию от графитовых щеток, он перенаправляет ее в обмотки. Сборка коллектора проводится с использованием медных пластин, объединенных в единый узел и оснащенных собственной изоляцией;
• обмотки возбуждения предназначены для генерации разнополярных магнитных полей, которые создают эффект вращения, движущий ротор. Размещаются как на роторе, так и на статоре;
• сердечник статора собирается из пластин, изготовленных из электротехнической стали. В зависимости от модели двигателя и типа напряжения статор может оснащаться собственной катушкой возбуждения, полярность которой противоположна полярностям обмоток якоря. Иногда можно встретить статор с постоянными магнитными элементами.

Такая конструкция электродвигателя имеет ряд выгодных преимуществ:

• сравнивая с бесколлекторными моторами, цена такого двигателя будет значительно ниже;
• более простое устройство, что в свою очередь облегчает процесс технического обслуживания и ремонта;
• большинство компонентов доступны и взаимозаменяемы;
• в случае поломки двигателя его замена не потребует значительных финансовых вложений.

Щетки являются наиболее уязвимым местом коллекторного двигателя. При наборе значительной скорости вращения темп истирания щеток ощутимо увеличивается. Это приводит к следующему:

• падение мощности электропривода;
• возникновение искрения между щетками и коллектором;
• вероятность появления дыма;
• снижение срока службы инструмента, прибора или другого агрегата, приводимого в действие коллекторным мотором.

Коллекторные двигатели универсального типа могут проектироваться не только по последовательной схеме возбуждения. Встречаются также модели с независимым и параллельным возбуждением. Эти моторы имеют свойство, ограничивающее применение данных двигателей в приводах с ременными передачами: ротор может скачкообразно менять свою скорость при перепадах входящей нагрузки. Если происходит обрыв ремня, двигатель начинает работать вхолостую. Однако это допустимо, если общая мощность привода не превышает 200 ватт. В данном случае условия эксплуатации допускают снижение нагрузки до начала работы двигателя в холостом режиме. Коллекторный двигатель, оснащенный системой последовательного возбуждения, имеет аналогичные преимущества, однако для него характерны некоторые недостатки:

• падение нагрузки до нуля может вывести агрегат из строя;
• чем больше разгоняется ротор, тем ниже на нем крутящий момент;
• сравнивая с системами на постоянных магнитах, отмечается высокая скорость последовательных коллекторных двигателей;
• данный тип подключения вызывает сложности при контроле величины оборотов якоря.

Еще одной особенностью работы коллекторного электродвигателя является наличие пульсации в результирующем электромагнитном моменте при наличии энергоснабжения от сети переменного тока. Однако это явление не мешает стабильной и бесперебойной работе агрегата, так как периодические импульсы электромагнитного момента и высокий уровень инерции на роторе уравновешивают колебания оси.

Где применяется

Особенности конструкции и схемы функционирования универсального коллекторного двигателя позволяют ему развивать большие обороты, потребляя однофазный переменный ток без применения частотного преобразователя. Благодаря этому такие моторы начали широко использоваться для приведения в действие небольших маломощных бытовых приборов. Также эти приводы можно встретить во многих разновидностях ручного электроинструмента. Одним из первых типов двигателей, используемых в производстве стиральных машин, был именно коллекторный, который регулируется изменением напряжения. Простота изменения скорости вращения привела к распространенности универсальных моделей. На сегодняшний день из этой области его постепенно вытесняют бесщеточные двигатели, в которых управление скоростью вращения ротора производится путем изменения частоты питающего тока. В бытовой отрасли универсальный коллекторный электродвигатель представляет собой наиболее бюджетное, эффективное и доступное решение. Выбирая электрические инструменты с коллекторными приводами, можно не сомневаться в их производительности и способности выполнить любую задачу в рамках своих технических параметров. Кроме того, этот инструментарий более доступен в цене, чем дорогие аналоги, оснащенные бесщеточными моторами. Их высокий риск выхода из строя при внезапной перегрузке определяет рациональность использования с меньшими финансовыми затратами, чем имеющий примерно такой же запас прочности, но более дорогой инструмент на бесщеточных моторах. https://www.youtube.com/watch?v=S6YKqv-iP0g