Коллекторный электрический двигатель: положительные качества, минусы, сфера использования

Мы часто встречаемся с электрическими двигателями. Они предоставляют работу бытовой и техники для строительных работ, являются важной частью оборудования для производства. Большая часть устройств имеет в составе коллекторный мотор. Это один из обычных и дешевых движков, который имеет хорошие характеристики. Собственно этим, да ещё низкой ценой, вызвана его востребованность.

Что такое коллекторный мотор и его специфики

Коллектором называют часть мотора, контактирующую со щёткой. Этот узел обеспечивает передачу электрической энергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным именуется мотор, у которого хотя бы одна обмотка ротора объединена со щёткой и коллектором. Коллекторные электрические двигатели бывают:

• постоянного тока;
• электрического тока;
• многофункциональные.

Коллекторный мотор может быть переменного и постоянного тока. Есть многофункциональные модели, которые как правило будут работать от источника напряжения разного типа

Последние многофункциональные, работают как от постоянного, так и от электрического тока. Они хранят востребовательность, даже не обращая внимания на то, что наличие щёток негативный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техобслуживание. К хорошим качествам коллекторных двигателей можно отнести возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, низкую цену.

Как и прочие электрические моторы, коллекторный состоит из статора и ротора (иногда называют «якорь»). Его характерной чертой считается наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электрическое питание. Устройство коллекторных моторов переменного и постоянного тока сходны, но имеют конкретные отличия, потому рассмотрим подробно их отдельно.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электрический двигатель, коллекторный видоизменяет электроэнергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре размещаются обмотки возбуждения, ротор в ответе за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, благодаря которому на обмотки ротора передаётся электроэнергия.

Коллекторный мотор: устройство

Статор состоит из корпуса, который оберегает элементы мотора от повреждений. Снизу и сверху корпуса фиксируются магнитные полюса. Они нужны для поддержки магнитного потока между статором и ротором.

Ротор коллекторного мотора

Ротор коллекторного мотора состоит из вала, на который садится сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал фиксируется коллекторный узел, со второй, лопасти вентилятора. Для оснащения лёгкого вращения и для фиксирования в корпусе на вал с обеих сторон одеваются подшипники. Для правильной работы электрического двигателя, нужно чтобы ротор был прекрасно сбалансирован. Потому к изготовлению данной части подойдут особенно скрупулёзно.

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

Сердечник ротора собирается из пластин из металла, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, любая из них залита слоем диэлектрического лака, для спасения от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые потом ложатся витки проволоки из меди. Эти пластины насаживаются на вал и фиксируются на нём, собирается пакет необходимого размера. Данная система считается магнитопроводом.

Так смотрится ротор коллекторного мотора

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

Как устроен коллекторный узел и как он функционирует

Коллекторный узел необходимо рассмотреть подробно. Иначе понять, как крутится ротор, тяжело. Коллектор имеет форму в виде цилиндра и набран из медных пластин (порой называют ламелями), которые изолированные один от одного слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому он фиксируется.

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

Выходит, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически между собой не связанных. К каждой пластине коллектора фиксируется вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости 2-ух разных рамок коллектора прижимается две щетки. Они хорошо прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт неплохой 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 крутится, одна пара пластин меняется другой. Аналогичным образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора. При этом появляющиеся один за другим поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в необходимом направлении.

Рабочий принцип

Вот теперь, как только рассмотрели устройство ротора, можно побеседовать про то, как работает коллекторный мотор. Собственно, рабочий принцип не отличается от других моторов, ротор начинает вращаться в магнитном поле благодаря наведенным на нём токам. Но как собственно и почему эти тока наводятся? Для понимания нужно припомнить, как появляется электродвижущая сила в систематическом магнитном поле. Если в поле постоянного магнита ввести прямоугольную рамку, под воздействием возникающего в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля оно говорит так, если ввести правую руку в поле таким образом, чтобы магнитные линии входили в ладонь, вытянутые пальцы укажут направление движения.

Картинка к пояснению рабочего принципа коллекторного мотора постоянного тока

Если взглянуть на устройство ротора, то видим, что каждая обмотка собой представляет такую рамку. Только она состоит не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. С помощью коллекторного узла, в определенный момент времени, обмотка подсоединяется к питанию, по ней течет ток и вокруг проводника появляется магнитное поле. Оно взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, стоят там частые магниты или тоже течет постоянный ток в обмотках, генерируя на полюсах свое магнитное поле. Поля ротора и статора рассчитаны так, что при взаимном действии они «проталкивают» ротор в необходимом направлении. Вот, кратко и без особенных подробностей описание работы коллекторного мотора постоянного тока.

Обмотки на роторе подсоединяются к пластинам коллектора. Когда с пластинами контактируют щетки, приобретаем закрытый контур, по которому течет ток

Если чуть-чуть вникнуть, можно догадаться, почему коллекторный мотор позволяет без проблем и медленно настраивать скорость. Чем больше напряжение подается на обмотки ротора, тем более мощное поле вырабует статор, тем сильнее их взаимное действие и быстрее вращается ротор, так как его толкают с большей силой. Если напряжение сделать меньше, взаимное действие меньше, результирующая частота вращения тоже. Так что все что необходимо настраивать напряжение, а это может даже простой потенциометр (переменое сопротивление).

Плюсы и минусы

как водится, начинаем с начисления достоинств. Положительные качества коллекторных электрических моторов такие:

• Обычное устройство.
• Большая скорость до 10 000 оборотов в минуту.
• Неплохой вращающий момент даже на малых оборотах.
• Низкая цена.
• Способность регулировать скорость в широких пределах.
• Маленькие токи пуска и нагрузки.

Схема коллекторного мотора

Неплохие качества, однако есть и минусы, причём они не менее существенные. Минусы коллекторных электрических двигателей такие:

• Большой уровень шумов во время работы. Особенно на больших скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
• Искрение щёток, их износ.
• Необходимость постоянного обслуживания коллекторного узла.
• Нестабильность критериев при изменении нагрузки.
• Высокая частота отказов благодаря наличию коллектора и щёток, небольшой служебный срок этого узла.

В общем, коллекторный мотор хороший выбор, иначе его не ставили бы на домашней технике. Ради справедливости нужно заявить, что при нормальном качестве выполнения, работают эти двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Коллекторный ДПТ с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле предоставляют:

• частые магниты;
• обмотки возбуждения.

Магниты и обмотки размещаются на корпусе статора, и очень часто, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более востребованы коллекторные двигатели с регулярными магнитами. Они легче в изготовлении, доступнее, быстро реагируют на колебание напряжения, что дает возможность медленно настраивать скорость. Минус моторов с регулярными магнитами считается их низкая мощность, и вдобавок то, что по истечению определенного времени или во время перегрева магниты теряют собственные свойства и это приводит к ухудшению параметров мотора.

Устройство коллекторного мотора постоянного тока

Такие моторы имеют ограниченную мощность, от единиц до сотен Ватт. Они применяются в технике, для которой важна мягкая регулировка скоростей. Это в большинстве случаев игрушки для детей, определенные виды домашней техники (как правило вентиляторы). Минусом коллекторного мотора с магнитами считается постепенная уменьшение мощности, магниты по истечению определенного времени становятся слабее, и без этого ограниченная мощность падает. Но сейчас возникли новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, разрешающие создавать двигатели с высокой мощностью.

С обмотками возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более большое использование. От двигателей данного типа работает аккумуляторный электрифицированный инструмент: угловые шлифовальные машины, дрели, шуруповерты т.д. Обмотки возбуждения выполняют из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В виде основы применяются канавки в полюсных наконечниках. На них как на основу накручиваются обмотки.

Коллекторный мотор с системой обмоточного возбуждения

Если взглянуть на устройство коллекторного мотора, мы видим два несвязанных между собой устройства, ротор и обмотки возбуждения. От способа их подсоединения зависят характеристики и свойства мотора. Отличают 4-ре варианта соединения ротора и обмоток возбуждения. Данные способы называют способами возбуждения. Вот они:

• Самостоятельное. Может быть только если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре неравны (бывает не так часто). Если они равны, применяется схема параллельного возбуждения.
• Параллельное. Отлично изменяется скорость, постоянная работа на невысоких оборотах, частые характеристики, независимы от времени. К минусам подсоединения данного типа относится нестабильность мотора при падении тока индуктора меньше нуля.
• Методичное. При подобном подсоединении нельзя включать мотор с нагрузкой на валу ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки частота вращения значительно увеличивается, что может разрушить мотор. Потому с ременой передачей подобный тип подсоединения не применяют, при обрыве ремня мотор рушиться. Схема последовательного возбуждения имеет большой момент на невысоких оборотах, однако не слишком отлично работает на высоких, управлять скоростью тяжело.
• Смешанное. Является самым подходящим. Отлично управляется, имеет большой вращающий момент на невысоких оборотах, нечасто выходит из-под контроля. Из плохих качеств очень высокая цена если сравнивать с другими типами.

Способы подсоединения обмоток возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа подсоединения. Но высокопродуктивные выделяются большими оборотами (тысячи оборотов за минуту, реже сотни) и невысоким моментом, так что они прекрасны для вентиляторов. Для любой остальной техники применяют низкооборотистые модели с малым КПД, либо к продуктивным моделям добавляют редуктор, иного решения пока не нашли.

Многофункциональные коллекторные двигатели

Не обращая внимания на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электрического двигателя, аналогичные модели нашли большое использование. Все благодаря низкой цене и простоте управления скоростью. Коллекторные двигатели электрического тока стоят фактически в любой домашней технике, как крупной, так и очень маленькой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже машины стиральные (привод барабана).

Многофункциональный коллекторный мотор работает от постоянного и переменного напряжения

По зданию многофункциональные коллекторные двигатели не выделяются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, несомненно есть, однако она не в устройстве, а в деталях:

• Схема возбуждения всегда последовательная.
• Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь выполняют шихтованного типа (одна конструкция без сплошных разрезов).
• Обмотка возбуждения имеет несколько секций. Это нужно, чтобы рабочие режимы на систематическом и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электрических двигателей многофункционального типа основывается на том, что если одновременно (или практически одновременно) заменить полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента остается тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень маленькой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Плюсы и минусы

Хотя многофункциональные коллекторные двигатели широко применяются, они имеют существенные недостатки:

• Намного низкий КПД во время работы на переменном токе (в сравнении с работой на систематическом того же напряжения).
• Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
• Делают радиопомехи.
• Высокий уровень шума во время работы.

Во многих моделях техники для строительных работ

Но все такие недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 оборотов в минуту. Если сравнивать с синхронными и асинхронными двигателями это достаточно много, самая большая их скорость — 3000 оборотов в минуту. Собственно это обусловило применение данного типа моторов в домашней технике. Но понемногу они заменяются современными бесщеточными двигателями. С появлением полупроводников их производство и управление становится все недорогим и обычным.