Коллекторный электродвигатель¶
Коллекторный двигатель — это электрический двигатель переменного или постоянного тока, в котором коммутация обмотки ротора (якоря) осуществляется с помощью механического коллектора — устройства, состоящего из изолированных медных ламелей, к которым прижимаются щётки. Коллекторные двигатели относятся к классу машин с электрическим возбуждением и отличаются высоким пусковым моментом, возможностью плавного регулирования скорости и способностью работать от источников переменного и постоянного тока.
¶Устройство и принцип действия
Основные элементы коллекторного двигателя:
- Статор — неподвижная часть, создающая магнитный поток. Может быть выполнен на постоянных магнитах (в маломощных исполнениях) или содержать обмотку возбуждения.
- Якорь (ротор) — вращающаяся часть с обмоткой, уложенной в пазы сердечника из электротехнической стали.
- Коллектор — цилиндрическая конструкция из ламелей (обычно меди), изолированных друг от друга и от вала. Каждая пара ламелей подключена к концам одной обмоточной секции якоря.
- Щёткодержатели и щётки — графитовые или металлографитовые элементы, передающие ток от внешней цепи к вращающемуся якорю через коллектор.
Принцип работы основан на законе электромагнитной индукции. При протекании тока по обмотке возбуждения и обмотке якоря возникают электромагнитные силы, создающие вращающий момент. Коллектор выполняет роль механического инвертора: по мере вращения якоря он периодически переключает направление тока в секциях обмотки, находящихся под полюсами, что обеспечивает непрерывность вращающего момента. В двигателях постоянного тока коллектор также работает как выпрямитель при работе от переменного тока — эта особенность позволяет использовать один и тот же двигатель для обоих родов тока.
¶Классификация
По роду питающего тока коллекторные двигатели подразделяются на:
- Двигатели постоянного тока — классическая схема с щёточно-коллекторным узлом, применяются в электротранспорте, приводах станков, электроинструменте.
- Универсальные коллекторные двигатели — работают и на постоянном, и на переменном токе. Обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря, а сердечники набираются из листовой стали для уменьшения потерь на вихревые токи.
- Коллекторные двигатели переменного тока (сериесные двигатели) — конструктивно близки к универсальным, но оптимизированы именно под переменный ток.
По схеме возбуждения различают двигатели с независимым, последовательным, параллельным и смешанным возбуждением. Последовательное возбуждение (сериесное) обеспечивает наибольший пусковой момент, что определяет его применение в приводах с тяжёлым пуском.
¶Характеристики и регулирование
Коллекторные двигатели обладают рядом достоинств, обусловивших их широкое распространение:
- высокий пусковой момент при низких оборотах;
- широкий диапазон регулирования скорости — до 1:10 и более;
- относительная простота изменения направления вращения;
- способность работать от сетей переменного тока напряжением 220 В без преобразователей.
Регулирование скорости осуществляется изменением напряжения на якоре, изменением потока возбуждения (ослаблением поля) или комбинированным способом. В современных электроприводах управление коллекторным двигателением выполняется с использованием тиристорных или транзисторных преобразователей, что позволяет реализовать плавное регулирование и реверс.
¶Недостатки
Основным недостатком является наличие щёточно-коллекторного узла — источника искрения, износа и электромагнитных помех. Щётки требуют периодической замены, а коллектор — чистки и проточки. Износ щёток и коллектора ограничивает применение таких двигателей в взрывоопасных и особо пыльных средах, а также в приводах, требующих полной бесконтактности. В ряде областей коллекторные двигатели вытеснены бесколлекторными (вентильными) двигателями, где коммутация выполняется электронными ключами по сигналам датчиков положения ротора.
¶Применение
Коллекторные двигатели широко используются в бытовой технике (пылесосы, дрели, шлифмашины, кухонные комбайны), электроинструменте, тяговом приводе электропоездов и электромобилей, в подъёмно-транспортном оборудовании, а также в авиационных и ракетных системах в качестве исполнительных двигателей. В России производством коллекторных двигателей для промышленности и транспорта занимались предприятия электротехнической отрасли, в частности заводы, выпускавшие тяговые электродвигатели для локомотивов и метрополитена.
¶Литература
- Виноградов Ф. А. «Электрические машины». Учебник для вузов.
- Голубев И. Н. «Электрические машины». Учебник.
- Копылов И. П. «Электрические машины». Учебник для вузов.