Отличия коллекторных и бесколлекторных двигателей

Коллекторный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель — это синхронная электрическая машина, в которой в качестве датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках используется одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Разновидности
Коллекторный электродвигатель постоянного тока
Самые маленькие двигатели данного типа (единицы ватт) содержат в корпусе:

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

Используются, преимущественно в детских игрушках (рабочее напряжение 3–9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки ватт), обычно, имеют

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

Именно такая конструкция у большинства электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, насосов омывателей, дворников.
Двигатели мощностью в сотни ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:
1)последовательно с ротором (последовательное возбуждение),

• преимущество: большой максимальный момент,
• недостаток: большие обороты холостого хода, которые могут повредить двигатель.

2)параллельно с ротором (параллельное возбуждение)

• преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,
• недостаток: меньший максимальный момент

3)часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)

до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов. Пример — автомобильные стартёры.

4)отдельным источником питания (независимое возбуждение)

характеристика аналогична параллельному подключению, но обычно может регулироваться. Используется достаточно редко.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока состоят в простоте их изготовления, ремонта и эксплуатации, а также достаточно большом ресурсе.
К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с малой массой и большим КПД) 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 лежит так, что изящных решений для нее нет.

История возникновения коллекторного электродвигателя

Важнейшие
сдвиги в развитии энергетической баз промышленного производства были связаны с
изобретением и применением электрических двигателей. В 1831 году английский
физик М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, а в 1834 русский
ученый Б.С. Якоби создал первый электродвигатель постоянного тока, пригодный
для практических целей. Однако только с 70х гг. 19в двигатели постоянного тока
получают широкое применение благодаря созданию источников дешевой
электроэнергии (генераторов постоянного тока) и усовершенствованию конструкции
двигателей электротехниками А. Пачинотти в Италии и З.Граммом в Бельгии. В
1888-89 русский инженер  (М.О. Доливо-Добровольский)
создал трехфазную короткозамкнутую асинхронную электрическую машину. В
последние годы конструкция электрических машин совершенствовалась, были созданы
электродвигатели в широком диапазоне мощностей — от долей Вт до десятков МВт.
Электродвигатели образуют параллельную систему конечных приемников тока,
установленных на предприятиях различных отраслей народного хозяйства.
Электродвигатели получают также широкое применение в бытовом обслуживании
(швейные, холодильные, электробритвы и.т.п. ).

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;

• 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.

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.

Впускной коллектор — двигатель

Впускной коллектор двигателя Д-240 состоит из трех частей: воздухоподводящей трубы, переходного патрубка и собственно коллектора. В переходном коллекторе смонтирован механизм аварийного останова двигателя и имеется отверстие для отбора воздуха в компрессор.
 

Кольцевая камера соединяется с впускными коллекторами двигателя при помощи отводящих патрубков. Воздух по отводящим патрубкам сборника поступает во впускные коллекторы, а затем в цилиндры двигателя. Такие сборники имеют обычно нагнетатели с лопаточным диффузором.
 

Камера усилителя соединена с впускным коллектором двигателя трубопроводом и установленным в нем пластинчатым запорным клапаном.
 

Патрубком 1 карбюратор присоединяется к впускному коллектору двигателя.
 

Принцип работы эконометра заключается в измерении вакуума во впускном коллекторе двигателя. Для измерения вакуума могут использоваться вакуумметры или электрические приборы, состоящие из датчика и приемника. Для измерительных преобразователей скоростных режимов работы могут быть применены индуктивные датчики, магнитопроводы которых изготовлены из электротехнической стали. Датчики с магнито-лроводом из пермаллоя обеспечивают высокую чувствительность прибора. Давление в задроссельном пространстве может измеряться указа -, телем пневмоэлектрического типа, работа которого основана на применении мембранного чувствительного элемента с потенциометрическим преобразователем. Деформация мембраны датчика под действием давления в задроссельном пространстве преобразуется в перемещение ползунка проволочного реостата, изменение сопротивления которого регистрируется электрическим приемником.
 

При высоких значениях этих температур бензин не успевает полностью испариться во впускном коллекторе двигателя и поступает в цилиндры в жидком виде.
 

Полость 15 через клапан б и обратный клапан 5 может соединяться с впускным коллектором двигателя.
 

Подогрев воздуха, поступающего в двигатель, обеспечивают с помощью электрических свечей накаливания или электрофакельного подогревателя, установленных во впускном коллекторе двигателя.
 

В этом состоянии блока диоды VD5 — VD8 будут закрыты, поэтому ключевые усилители открыты и оба клапана пропускают воздух во впускной коллектор двигателя.
 

Воздушный фильтр, применяемый на двигателях ЯМЗ-740 и ЯМЗ-741, снабжен сменным сухим двухступенчатым фильтрующим элементом с инерционной решеткой, через который проходит весь воздух, поступающий в впускные коллекторы двигателя.
 

Циркуляция скорости по замкнутому контуру может служить, наряду с потоком вихря, мерой интенсивности вихревого движения, и это понятие широко применяется в теоретических построениях и на практике, например, при проверке качества изготовления впускных коллекторов двигателей внутреннего сгорания.
 

На этой зависимости основана работа пневматического чувствительного элемента, разрез которого представлен на фиг. Впускной коллектор двигателя трубопроводом и штуцером 1 соединен с мембранной коробкой, левая часть которой мембраной 3 отделена от полости атмосферного давления 4, расположенной справа.
 

Свечи накаливания подразделяют на однопроводные и двухпроводные. Одно-проводные свечи накаливания устанавливают во впускном коллекторе двигателя.
 

Воздух вытесняет масло из чашки, резко меняет направление движения и теряет частицы пыли, улавливаемые маслом. Очищенный воздух через боковой патрубок 3 направляется во впускной коллектор двигателя и распределяется по цилиндрам.
 

Коллектор — двигатель

К коллектору двигателя, питаемого от выпрямителя, помимо постоянной составляющей напряжения приложена еще и переменная его составляющая. Вследствие этого в некоторые части периода потенциальные условия на коллекторе становятся более напряженными, чем при питании машины постоянным током. Это может способствовать возникновению перебросов по коллектору и круговых огней.
 

На коллекторе двигателя не должно быть следов кругового огня, оплавлений концов ламелей, выплавления припоя пайки петушков, следов перебросов, перекрытий дугой; поверхность коллектора должна быть чистой.
 

Вентилятор пылесоса и коллектор двигателя расположены со стороны всасывающего патрубка.
 

С — для коллекторов двигателей; 85 С — для подшипников.
 

Повышение напряжения на коллекторе двигателя часто приводит к искрению и образованию кругового огня. В этом случае почти все напряжение сети придется на тяговый двигатель 2, на коллекторе которого также возможно образование кругового огня.
 

Потенциальные условия на коллекторе двигателя, питаемого от источника пульсирующего напряжения, непрерывно и периодически изменяются в соответствии с формой кривой выпрямленного напряжения, подведенного к машине. В течение полупериода основной гармонической выпрямленного тока, когда они приложены согласно, потенциальные условия будут худшими, а в течение другого полупериода — лучшими, чем в аналогичном режиме при питании машины постоянным током. При выпрямлении однофазного тока 50 гц каждое из этих состояний длится 1 / 200 сек. В быстроходных машинах за это время точки коллектора могут пройти значительную часть расстояния между смежными щеткодержателями, что повышает опасность распространения возникших местных электрических дуг между пластинами на всю поверхность коллектора.
 

После длительной стоянки на морозе коллекторы двигателей покрываются инеем, поэтому первоначальный пуск электровоза выполняют на очень малой скорости, слегка притормаживая локомотив, чтобы избежать поломки щеток.
 

На рис. 3 — 23 показан коллектор двигателя типа ДПЭ-400 с болтовым креплением и расположением нажимной шайбы со стороны петушков. Такая конструкция, как видно из фигуры, может быть выполнена с весьма сжатыми аксиальными размерами по месту крепления, так как болты могут быть утоплены в тело втулки. Но она имеет тот недостаток, что в случае пробоя передней манжеты, равно как и задней, необходимо стаскивать коллектор с сердечника якоря. Кроме того, при этой конструкции подтяжка коллектора после намотки якоря будет сопровождаться подвижкой всего коллекторного кольца влево, что приводит к некоторому натяжению концов обмотки, впаянных в петушки. По мнению некоторых конструкторов, это обстоятельство может иметь отрицательное влияние на механическую прочность этих концов обмотки. Однако это мнение не подтверждается практикой, так как существует ряд машин, удовлетворительно работающих при такой конструкции коллектора. Во втулке коллектора рис. 3 — 23 не сделано вентиляционных каналов, так как коллектор сидит не на валу, а на передней — нажимной шайбе якоря.
 

Налив жидкого стекла производят вакуумом от коллектора двигателя, слив — под действием давления от тормозной системы.
 

На рис. 1.3 показана одна из конструкций коллектора двигателя общего применения. Соединение обмотки якоря из круглого провода с коллектором в машинах небольшой мощности осуществляется непосредственно с помощью шлицев, имеющихся в каждой коллекторной пластине. Соединение обмотки якоря из провода прямоугольного сечения с коллектором производят с помощью особых медных пластин, называемых петушками.
 

Недостатком электровозов данного типа является ухудшенная коммутация на коллекторе двигателей при малых скоростях. Поэтому на дорогах с подобными локомотивами работа производится на больших скоростях с поездами малого веса.
 

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.

Из чего он выполнен

Коллекторный электродвигатель переменного тока предполагает использование в конструкции статора из магнитно-мягкого материала, который характеризуется малым гистерезисом. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, этот элемент делается из наборных пластин с изоляцией. В качестве подмножества коллекторных машин переменного тока принято выделять агрегаты пульсирующего тока, которые получены посредством выпрямления тока однофазной цепи без применения сглаживания пульсации.

Коллекторный электродвигатель переменного тока чаще всего характеризуется такой особенностью: в режиме малых оборотов индуктивное сопротивление обмоток статора не позволяет потреблять ток больше определенных пределов, при этом ограничивается и максимальный момент двигателя до 3-5 от номинального. Сближение механических характеристик достигается за счет использования секционирования обмоток статора – для подключения переменного тока используются отдельные выводы.

Довольно сложная задача сопряжена с коммутацией мощной коллекторной машины переменного тока. В тот момент, когда секция проходит нейтраль, магнитное поле, находящееся в сцеплении с ротором, меняет свое направление на противоположное, а это становится причиной генерации в секции реактивной ЭДС. Это случается при работе от переменного тока. В коллекторных машинах переменного тока тоже имеет место реактивная ЭДС. Тут же отмечается и трансформаторная ЭДС, так как ротор находится в магнитном поле статора, пульсирующем во времени. Плавный пуск коллекторного электродвигателя невозможен, так как в этот момент амплитуда машины будет максимальной, а по мере приближения к скорости синхронизма будет пропорционально снижаться. По мере дальнейшего разгона будет отмечаться новое возрастание. Для решения проблемы коммутации в этом случае предлагается несколько последовательных шагов:

— При проектировании следует отдавать предпочтение одновитковой секции, что позволит уменьшить поток сцепления.

— Активное сопротивление секции требуется увеличивать, для чего наиболее перспективными элементами являются резисторы в коллекторных пластинах, где наблюдается хорошее охлаждение.

— Коллектор должен активно подшлифовываться щетками максимальной твердости с наибольшим сопротивлением.

— Реактивная ЭДС может быть компенсирована посредством использования добавочных полюсов с последовательными обмотками, а параллельные обмотки применимы для компенсации трансформаторной ЭДС. Так как величина последнего параметра представляет собой функцию угловой скорости ротора и тока намагничивания, подобные обмотки требуют использования систем подчиненного регулирования, которых пока еще не существуют.

— Частота питающих цепей должна быть как можно ниже. Наиболее популярными вариантами являются 16 и 25 Гц.

— Реверсирование УКД производится при помощи переключение полярности включения обмоток статора или ротора.

Разновидности

Коллекторный электродвигатель постоянного тока обычно включает в свой состав такие элементы, как:

— трехполюсной ротор на подшипниках скольжения;

— двухполюсной статор на постоянных магнитах;

— медные пластины в качестве щеток коллекторного узла.

Этот набор характерен для самых маломощных решений, используемых обычно в детских игрушках, где не требуется большая мощность. В состав более мощных двигателей включается еще несколько конструктивных элементов:

— четыре графитовые щетки в виде коллекторного узла;

— ротор с несколькими полюсами на подшипниках качения;

— статор из постоянных магнитов с четырьмя полюсами.

Чаще всего устройство электродвигателя такого типа используется в современных автомобилях для реализации привода вентилятора системы охлаждения и вентиляции, насосов омывателей, дворников и прочих элементов. Существую и более сложные агрегаты.

Мощность электродвигателя в несколько сотен ватт предполагает использование в составе четырехполюсного статора, выполненного из электромагнитов. Для подключения его обмоток может использоваться один из нескольких способов:

— Последовательно с ротором. В данном случае получается большой максимальный момент, однако из-за больших оборотов холостого хода велик риск повреждения двигателя.

— Параллельно с ротором. В данном случае обороты остаются стабильными в условиях изменяющейся нагрузки, однако максимальный момент заметно меньше.

— Смешанное возбуждение, когда часть обмотки подключается последовательно, а часть параллельно. В данном случае совмещены достоинства предыдущих вариантов. Используется этот тип для стартеров автомобилей.

— Независимое возбуждение, при котором используется отдельный источник питания. В данном случае получаются характеристики, соответствующие параллельному подключению. Используется этот вариант довольно редко.

Коллекторный электродвигатель обладает определенными достоинствами: их просто изготавливать, ремонтировать, эксплуатировать, а их ресурс работы достаточно велик. В качестве недостатков обычно выделяется следующий: эффективные конструкции подобных устройств обычно являются быстроходными и низкомоментными, поэтому большинство приводов требует установки редукторов. Это утверждение вполне обосновано, так как электрическая машина, ориентированная на низкую скорость, характеризуется заниженным КПД, а также связанными с этим проблемами охлаждения. Последние таковы, что для них сложно найти изящное решение.

Принцип работы

Принцип действия впускного коллектора довольно прост и заключается в формировании и распределении воздушно-топливной смеси. В процессе работы в него поступает топливо и воздух, смешиваемые в потоке. При этом важны технические характеристики смеси, за чем следит специальный датчик. Он фиксирует температуру и давление, а блок управления высчитывает из этого необходимые данные.

На основе полученных данных регулируется управление форсунок. В дальнейшем смесь переходит во второй сектор коллектора, где проводится распределение по цилиндрам.

Попадание смеси в цилиндры проводится на первом такте, если двигатель работает на четырехтактном процессе. Она всасывается в цилиндры через клапаны, после чего проход блокируется до следующего первого такта. Впускной коллектор обеспечивает необходимое количество воздуха на начало каждого такта, что и обеспечивает эффективную работу системы.

Для правильной работы впускного коллектора он должен иметь строго определенную форму и емкость. Эти параметры определяются на стадии разработки, чтобы эффективно работало на всех двигателях.

Интересно! По этой же причина многие впускные коллекторы схожи по форме и размерам.

Коллектор — электродвигатель

Коллектор электродвигателей периодически необходимо чистить. Для чистки требуется разбирать двигатель. При разборке двигателя щетки нужно вынимать, иначе их можно повредить.
 

Коллектор электродвигателя ЭД-118А арочного типа состоит из литой втулки, комплекта пластин, манжет и нажимного конуса. Собранный коллектор прессуется, конус и втулка стягивают комплект пластин. С целью исключения возможности проникновения влаги во внутреннюю полость коллектора его внутренняя полость проверяется на газоплотность.
 

Чистить коллектор электродвигателя лучше всего ученической чернильной резинкой, так как даже самая мелкозернистая шкурка или пемза оставляет царапины. Чистку производят следующим образом. Бензином смывают грязь и масло с коллектора и сушат его. Затем прижимают резинку к коллектору, как электрощетку, а ротор поворачивают. Доведя поверхность до блеска, коллектор промывают чистым бензином.
 

Чистить коллектор электродвигателя лучше всего обыкновенной школьной резинкой для стирания чернил, так как даже самая мелкозернистая шкурка или пемза оставляют царапины. Чистку производят следующим образом. Бензином смывают грязь и масло с коллектора и сушат его. Затем прижимают резинку к коллектору, как электрощетку, а ротор поворачивают. После получения блестящей поверхности коллектор промывают чистым бензином.
 

Ламели коллекторов электродвигателей на больших оборотах под действием центробежных сиг отклоняются в радиальном направ-лении. Неравномерность отклонений разных ламелей резко ухудшает работу электрических щеток. В связи с этим возникла потребность в приборе для контроля отклонения ламелей коллекторов при вращении быстроходных метро двигателей.
 

Пластины коллектора электродвигателя должны быть очищены от пыли, нагара и при необходимости продорожены.
 

Пластины коллектора электродвигателя должны быть очищены от пыли и нагара и при необходимости продорожены.
 

При правильной эксплуатации коллектор электродвигателя не должен искрить; поверхность его не имеет царапин, подгара и хорошо отполирована; коллектор не должен бить при вращении машины, этому способствует его цилиндрическая поверхность, При наличии боя коллектор протачивается на токарном станке.
 

При правильной эксплуатации коллектор электродвигателя не искрит, поверхность его не имеет царапин, нагара и хорошо отшлифована; коллектор не должен бить при вращении машины. В случае большого биения коллектора, а также для устранения выработок ( дорожек), шероховатостей и других дефектов, появляющихся на поверхности коллектора, производят его обточку и шлифовку.
 

Согласование скоростей обеспечивается изменением напряжения на коллекторе электродвигателя 2Д посредством вольтодобавочного выпрямителя ВВ.
 

Чистку коллекторов, смену щеток, устранение искрения коллекторов электродвигателей и других электрических устройств газорезательных машин, а также надежность их заземления должны производить электромонтеры, прикрепленные к этим машинам.
 

Чистку коллекторов, смену щеток, устранение искрения коллекторов электродвигателей и других электрических устройств газорезагельных машин, а также надежность их заземления должны производить электромонтеры, прикрепленные к этим машинам.
 

Особенности конструкции

Для лучшего понимания данного вопроса следует подробнее рассмотреть, что легло в основу представленного устройства. Тип электродвигателя коллекторный универсальный представляет собой прибор постоянного тока, имеющий последовательно включенные обмотки возбуждения, оптимизированные для работы на переменном токе бытовой сети электрического питания. Вращение двигателя происходит в одну сторону вне зависимости от полярности. Это связано с тем, что последовательное соединение обмоток статора и ротора приводит к одновременной смене их магнитных полюсов, а благодаря этому результирующий момент направляется в одну сторону.