Что такое колекторный двигатель

Как работает коллекторный двигатель постоянного тока

Узнайте все преимущества и недостатки коллекторного электродвигателя для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассмотрим наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Прежде всего, это коллекторный двигатель постоянного тока.

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят коллекторные двигатели постоянного тока, ознакомьтесь с обзором:

Самый простой тип электродвигателя (и самый распространенный) – это коллекторный двигатель постоянного тока. Вы можете найти этот двигатель везде. В вашем телефоне, вероятно, тоже есть один, обеспечивающий функцию вибрации. Коллекторные двигатели постоянного тока используются практически в любой движущейся игрушке. Аккумуляторные дрели работают на коллекторных двигателях постоянного тока.

Коллекторные двигатели постоянного тока используются везде: в игрушках, в чем-либо с вибрирующим мотором, в таких обычных инструментах, как аккумуляторные дрели.

Конструкция [ править ]

Микроэлектродвигатели имеют магнитопровод якоря, выполненный в виде трехзубцового пакета из штампованных листов электротехнической стали.

На рисунке обозначено: 1 — щит; 2 — якорь; 3 — корпус; 4 — коллектор; 5 — постоянные магниты; 6 — скоба; 7 — прокладка.

Петлевая обмотка якоря, имеющая три укороченные секции, намотана непосредственно на зубцы пакета и соединяется в звезду или треугольник. Начало в крышке машины, и трехламельный цилиндрический коллектор, напрессованный каждой секции присоединено к коллекторной пластине. Питание двигателя осуществляется через щеточный узел, смонтированный на валу якоря.

• 1 Разновидности
  • 1.1 Коллекторный электродвигатель постоянного тока
  • 1.2 Универсальный коллекторный электродвигатель
    • 1.2.1 Особенности конструкции
    • 1.2.2 Достоинства и недостатки
      • 1.2.2.1 Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока
      • 1.2.2.2 Сравнение с асинхронным двигателем
    • 1.2.3 Аналоги бесколлекторного узла
• 2 См. также
• 3 Ссылки, примечания

Коллекторный электродвигатель постоянного тока [ править ]

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:

• трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
• коллекторный узел из двух щёток — медных пластин;
• двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3-9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют

• многополюсный ротор на подшипниках качения;
• коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
• четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.

Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

• последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение),
  • преимущество: большой максимальный момент,
  • недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.
• параллельно с ротором (параллельное возбуждение)
  • преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,
  • недостаток: меньший максимальный момент
• часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)
  • до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов, пример — автомобильные стартеры.
• отдельным источником питания (независимое возбуждение)
  • характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться. Пример — тяговые двигатели некоторых электровозов.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема такова, что изящных решений для неё нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель [ править ]

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговый электродвигатель.

Особенности конструкции [ править ]

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М. П. Костенко, «Электрические машины»). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, в США же частота 25 Гц была одной из стандартных (наряду с 60 Гц) до 50-х годов XX века. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М. П. Костенко «Электрические машины», электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов. [источник не указан 2446 дней] ).

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (КМПТ) являются машины «пульсирующего тока», полученного путем выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3-5 от номинального (против 5-10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет свое направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В КМПТ реактивная ЭДС также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Её амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратится в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации КМПТ может быть решена следующим образом:

• Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
• Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М. П. Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
• Активная подшлифовка коллектора щётками максимальной твёрдости (высокий износ) подгорающего коллектора из-за тяжелых условий коммутации; и максимально возможного сопротивления как средство гашения реактивной и трансформаторной ЭДС коммутируемой секции.
• Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС и параллельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчинённого регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
• Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

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

Достоинства и недостатки [ править ]

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока [ править ]

Достоинства:

• 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.

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

Сравнение с асинхронным двигателем [ править ]

Достоинства:

• 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.

• Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
• Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
  • Относительно малая надёжность (срок службы: тяжёлые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щёток, что снижает ресурс).
  • 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.

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 — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном повышении нагрузки на валу и снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
• Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, так как в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
  • расщеплённый паз
  • создающая искусственную фазу ёмкость
  • создающую искусственную фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50-60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Таким образом, в однофазных сетях КМПТ не знает себе конкурентов.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги бесколлекторного узла [ править ]

Ближайшим аналогом УКД по механической характеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

Отличия от других типов двигателей

Одно из основных отличий коллекторного двигателя от бесколлекторных ДПТ и от синхронных двигателей с постоянными магнитами – это наличие щёточно-коллекторного узла. Эта часть двигателя отличается повышенным износом, поскольку представляет собой электрическое соединение подвижных частей. Щёточно-коллекторный узел – это один из факторов ограничивающих срок службы и скорость коллекторного двигателя. С другой стороны, коллекторные двигатели выгодно отличаются простотой управления.

Машинки «Самсунг» и LG с инверторным движком

Стиральные машинки именитого бренда Самсунг серии Crystal Standard могут похвастать не только современным инверторным двигателем, но и технологией стирки с пузырьками, которая обеспечивает надлежащий процесс даже при температуре в 15 градусов. Деликатная стирка и наличие режима , направленного на ликвидацию самых частых пятен, существенно экономят ваше время и деньги. Помимо богатого функционала, техника имеет шикарный футуристический дизайн.

Стиральная машина Самсунг с двигателем инверторного типа

Линейка машин серии Yukon с инверторными двигателями также имеет технологию Eco Bubble. Стиральное устройство способно проводить очистку вещей при помощи пара (так называемая «сухая стирка»), что особенно актуально для костюмов, холлофайберов, шерстяных изделий.

Производитель LG пошёл ещё дальше. Он оснастил свои модели инверторным двигателем, работающим по принципу прямого привода (серия «Direct Drive»). Таким образом, агрегат издаёт минимальное количество шума, обеспечивая комфортные условия для вас и вашей семьи.

Машинки LG: инвертор прямой привод обеспечат бесшумную работу

Примечательной моделью является 6 Motion, предусматривающая разное движение барабана. Всего насчитывается 6-ть вариантов вращения:

1. Стандартное.
2. Реверсионное, главная задача которого – лучше расщепить моющее средство;
3. Покачивание. Применяется на стадии замачивания вещей.
4. Кручение. Подходит для режима стирки.
5. Насыщение. Равномерно распределяет моющее средство на загруженной одежде.
6. Разглаживание. Обеспечивает правильное растягивание вещей, что уменьшает усилия пользователя во время глажки.

Представленные на нашем рынке модели давно доказали свою эффективность.

Именитые европейские бренды Electrolux, Candy, Bosch, Whirlpool стали оснащать выпускаемые автоматы подобным движком. А известная марка AEG на столько уверена в долговечности своих изделий, что поставила 10-ти-летнюю гарантию на стиралки с инверторным мотором.

Если у вас в почёте отечественные производители, не обходите стороной белорусскую марку «Атлант».

Предлагаем ознакомиться Как поменять ремень на стиральной машине Самсунг ✅: замена, натянуть, одеть, поставить

Белорусская стиральная машина Атлант с инвертором

Выбор типа электродвигателя для механизма

Нижний порог для выбора между компонентами любого типа — это тип приложения и ограничение затрат для конечного продукта. Например, игрушечный робот, ориентированный на детей от шести до восьми лет, может потребовать от четырех до девяти электродвигателей. Они могут быть коллекторными или бесколлекторными машинами постоянного тока или их компоновкой.

Если данный робот выполняет только основные движения или входит в игрушечный набор, нет необходимости применять бесколлекторные BLDC машины, которые стоят дороже, чем их коллекторные аналоги. Игрушка или набор, вероятно, попадут в мусорный ящик задолго до того, как щетки электрической машины выйдут из строя.

Типичные электроприводы с электродвигателем постоянного тока включают моторизованные игрушки, приборы и компьютерную периферию. Автопроизводители «привлекают» их к электроприводам окон, сидений и другим конструкциям в салоне из-за их низкой стоимости и простого исполнения.

Бесколлекторные электродвигатели более универсальны, главным образом из-за их «сообразительности» в отношении скорости и крутящего момента. Они также поставляются в компактных корпусах, что делает их «жизнеспособными» для различных небольших конструкций. Типичные приложения включают компьютерные жесткие диски, механические мультимедийные проигрыватели, вентиляторы с электронным управлением, беспроводные электроинструменты, HVAC и холодильные установки, промышленные и производственные системы и CD приводы.

Автомобильная промышленность применяет бесколлекторные BLDC машины для электрических и гибридных автомобилей. Эти электродвигатели представляют собой, по существу, синхронные машины с постоянными магнитами в роторе. Другие уникальные применения включают электрические велосипеды, где двигатели устанавливаются в колеса или колпаки, промышленное позиционирование и управление, монтажные роботы и линейные приводы для управления клапаном.

Сравнение электродвигателей и нюансы использования

Между обсуждаемыми двигателями наблюдается несколько явных схожестей. В обоих агрегатах присутствуют специальные провода, подвижная (ротор) и неподвижная часть (статор). В коллекторных и бесколлекторных приборах работа системы начинается с образования магнитного поля. У каждого из этих устройств есть свои сильные и слабые стороны и определенная сфера использования.

И все-таки электродвигатели отличаются друг от друга. Разница касается внешних и внутренних характеристик устройств, а также затрагивает их возможности. Главное отличие кроется в наличии и отсутствии коллектора. Приборы с медным барабаном весят меньше, нежели бесколлекторные двигатели. У электромашины первой категории в арсенале два провода, у второй конструкции в запасе имеется третий. Первый вариант двигателя стоит дешевле, нежели бесколлекторный агрегат. Мощная и высокоскоростная бесколлекторная электромашина участвует в развитии авиационной и даже медицинской области, тогда как коллекторные изделия в основном используют для бытовых приборов.

Установка и применение двигателей зависит от цели его использования. Недорогие коллекторные агрегаты востребованы при создании некоторых детских игрушек, стиральных машин, пылесосов и прочих электрических устройств. Бесколлекторыне чаще встречаются в медицинском оборудовании, в системах охлаждения, самолетах, кораблях и автомобилях. Сфера применения также определяется устойчивостью двигателя к перегрузкам и способом его работы.