Устройство коллекторных машин постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии. 

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока ДПТ и генератор постоянного тока ГПТ которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга то есть ДПТ может работать как ГПТ и наоборот. Разберем устройство коллекторных машин на примере двигателя постоянного тока.

  Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

1. Якоря (подвижная часть) который состоит из вала,обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрытых электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения вихревых токов. В сердечнике есть пазы в которые вложены пазовые стороны обмотки якоря.
2. Статора (4) (неподвижной части) — станина, главные полюса с полюсными катушками(2,3).

Статор конструктивно может быть выполнен двух видов:

• сборный — состоит из цельной тянутой трубы и прикреплённым к ней внутри полюсов. Сердечник полюса выполнен в виде стального бруска либо из шихтованных пластин 0,5 — 1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя.
• цельный шихтованный — применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.

Устройство щеточно коллекторного перехода.

Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4. Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4).

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

27.08.2014

Электрические машины,Машины постоянного тока,Двигатель постоянного тока,ДПТ,ГПТ,Генератор постоянного тока

Электрические машины постоянного тока

6.3.3. Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока

Коллекторная
машина постоянного тока является, по
существу, машиной переменного тока, так
как в ее перемещающейся относительно
поля возбуждения обмотке — обмотке якоря
протекает переменный ток. Однако машина
имеет специальное устройство — коллектор,
позволяющий преобразовывать переменный
ток в постоянный.

При
вращении рамки, например, против
направления движения часовой стрелки
в каждой ее стороне индуцируется ЭДС,
направление которой определяется
правилом правой руки (рис. 6.24), а величина
— формулой (6.1). Поскольку длина рамки
и скорость
— величины
постоянные, величина ЭДС зависит только
от распределения индукции

под
полюсами, которое близко к синусоидальному.
Поэтому изменение ЭДС между точками
1—4
рамки
(рис. 6.24) также близко к синусоидальному
(рис. 6.25).

Таким
образом, если к концам рамки 1 и 4
подключить
с помощью скользящих контактов внешнюю
нагрузку, в ней потечет переменный ток,
имеющий форму ЭДС (рис. 6.25).

Чтобы
заставить ток протекать по внешней цепи
в каком-нибудь одном направлении, т. е.
выпрямить его, используется специальное
устройство — коллектор. Концы витка
1—2—3—4
присоединяются
к двум изолированным медным сегментам
(рис. 6.24). На пластины наложены неподвижные
в пространстве щетки А
и
Б,
к
которым присоединяется внешняя цепь.

Нужно
поставить щетки так, чтобы при вращении
якоря каждая из них соприкасалась только
с той коллекторной пластиной и тем из
проводников рамки, которые находятся
под полюсом данной полярности. Так,
щетка А
всегда
соприкасается только с проводником,
находящимся под северным полюсом (рис.
6.24). Следовательно, по внешней цепи ток
будет протекать только в одном направлении
— от щетки А
к
щетке Б,
т.е.
происходит выпрямление наводимой в
витке ЭДС и тока в пульсирующие ЭДС на
щетках и ток во внешней цепи (рис. 6.26).

Пульсации
тока на рис. 6.26 носят резко выраженный
характер. Однако эти пульсации
сглаживаются, если вместо
рамки использовать обмотку, состоящую
из большого числа проводников, определенным
образом выполненную и соединенную с
коллектором. Система подвижных проводников
в машине постоянного тока вместе с
несущей их механической конструкцией
называется якорем.

В
режиме двигателя к щеткам подводится
постоянный ток, который коллектором
преобразуется в переменный ток обмотки
якоря. Этот ток, взаимодействуя с полем
возбуждения, создает электромагнитный
момент, приводящий якорь в движение и
совершающий максимальную работу.

Скорость
перемещения проводников обмотки якоря
относительно неподвижного поля
возбуждения основных полюсов определяется
частотой вращения якоря

(об/мин).
Поэтому ЭДС обмотки якоря
,
где
— конструктивный
коэффициент, зависящий от геометрии и
параметров машины и ее обмотки якоря;
— магнитный поток.

Исходя
из рассматриваемого принципа действия,
машина постоянного тока состоит из двух
основных частей: неподвижной части —
статора, предназначенной в основном
для создания магнитного потока, и
вращающейся части — якоря, в которой
происходит процесс преобразования
механической энергии в электрическую
(электрический генератор) или обратно
— электрической энергии в механическую
(электродвигатель).

Неподвижная
и вращающаяся части отделяются друг от
друга зазором.

Неподвижная
часть машины постоянного тока состоит
из основных полюсов, предназначенных
для создания основного магнитного
потока; добавочных полюсов, устанавливаемых
между основным и служащих для достижения
безыскровой работы щеток на коллекторе.

Якорь
представляет собой цилиндрическое
тело, вращающееся в пространстве между
полюсами, и состоит из зубчатого
сердечника якоря, уложенной на нем
обмотки, коллектора и щеточного аппарата.

Щеточный двигатель постоянного тока: конструкция и принцип действия

Коллекторные двигатели довольно распространены в быту и на производстве. Их используют для привода различных механизмов, электроинструментов, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена ​​простой регулировкой скорости вращения ротора, но есть некоторые ограничения их использования и, конечно же, недостатки. Давайте рассмотрим, что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДТТ), какие существуют разновидности этого типа электродвигателя и где они применяются.

• Определение и устройство
• Принцип работы
• Типы КДПТ и схемы соединения обмоток
• Схема подключения и реверс
• Область применения
• Преимущества и недостатки

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят такое определение:

«Коллекторным двигателем называется электродвигатель, у которого датчик положения вала и переключатель обмоток являются одним и тем же устройством — коллекторным. «Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо на постоянном и переменном токе».

Коллекторный двигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор является якорем. Напомним, что якорь – это часть электрической машины, потребляющая основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Зачем нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе) и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. Отводы секций обмоток якоря соединяются с ламелями (устройство якорной обмотки КДПТ можно увидеть на группе рисунков ниже), а точнее, конец предыдущей и начало следующей секции обмотки соединяются с каждый из них.

Ток подается на обмотки через щетки. Щетки образуют скользящий контакт и при вращении вала соприкасаются то с одной, то с другой пластиной. Таким образом коммутируются обмотки якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна со щеткодержателями, непосредственно в них устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижаты к коллектору пружинами.

На статоре (обмотке возбуждения) устанавливаются постоянные магниты или электромагниты, которые создают статорное магнитное поле. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще употребляются термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже показана конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь давайте посмотрим, как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

При протекании тока по обмотке якоря возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правил буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться за счет того, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноименным. Что прекрасно иллюстрирует рисунок ниже.

При переключении щеток на другие ламели ток начинает течь в обратном направлении (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах двухполюсную конструкцию не применяют из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальными. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может вообще не начать вращаться. Поэтому коллектор современного двигателя постоянного тока имеет значительно больше полюсов и секций обмоток, укладываемых в пазы футерованного сердечника, чем достигается оптимальная плавность хода и крутящий момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видео, настоятельно рекомендуем его прочитать.

Типы КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока бывают двух типов:

1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни ватт).
2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъемных механизмах и станках).

Различают такие виды КДТТ по способу соединения обмоток:

• Последовательного возбуждения (в старой русской литературе и от старых электриков можно услышать название «Последовательный», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Преимуществом такой схемы является высокий пусковой момент, а недостатком — падение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (мягкая механическая характеристика), и то, что двигатель буксует (неконтролируемое увеличение оборотов с последующим выходом из строя к подпятникам и якорю) на холостом ходу или при нагрузке на вал менее 20-30% от номинальной.
• Параллельный (также называемый «шунт»). Соответственно, обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря. При малых скоростях на валу крутящий момент высок и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а при увеличении оборотов снижается. Преимуществом являются стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на вал (ограниченной его мощностью), а недостатком — при обрыве цепи в цепи возбуждения она может выйти из строя.
• Зависимый. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет более точно контролировать скорость вращения вала. Особенности работы аналогичны ДПТ с параллельным возбуждением.
• Смешанный. Часть обмотки возбуждения включена параллельно, а часть последовательно с якорем. Объедините преимущества последовательного и параллельного типов.

Графический символ на схеме вы видите ниже.

В зарубежной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДТ, как это было показано на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь и два квадрата представляют кисти.

Схема соединения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где используется конкретный двигатель, нужно выбрать соответствующее решение. В некоторых режимах работы (например, в режиме торможения) схемы включения обмоток могут быть изменены или введены дополнительные элементы.

К ним относятся маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с использованием: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных драйверных микросхем или с использованием маломощных реле. Большие мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите обратную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике схема будет аналогична в производстве, но в ней не будет диодного моста, так как все линии для подключения таких двигателей проложены от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется изменением полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Нельзя менять полярность и там и там, так как направление вращения вала не изменится, как это бывает у универсальных коллекторных двигателей при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например реостат, но вал точно так же регулируют скорость, но вместо реостата часто используют набор постоянных резисторов, соединенных с помощью набора контакторов.

В современных приложениях изменение скорости вращения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, что и сделано в аккумуляторном электроинструменте (например, отвертке). Эффективность этого метода намного выше.

Область применения

Щёточные электродвигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, кратко рассмотрим область их применения: дворников), в стеклоподъемниках, для запуска двигателя (стартер представляет собой коллекторный двигатель постоянного или смешанного возбуждения) и других приводов.

В грузоподъемных механизмах (кранах, подъемниках и др. ) применяются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.

Обратите внимание, что в современном дорогом электроинструменте устанавливаются бесколлекторные двигатели, но бесколлекторные.

Преимущества и недостатки

Проанализируем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Отношение габаритов к мощности (весовые и габаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализация плавного пуска.
3. Пусковой момент.

К недостаткам КДПТ относятся:

1. Изношенные щетки. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллектора в сборе.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение во взрывоопасных местах (тогда используйте КДТТ во взрывозащищенном исполнении).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателя постоянного тока вносит помехи и искажения в цепь питания или сеть, что приводит к сбоям в работе и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. В магнитах с постоянными магнитами магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются), и КПД двигателя снижается.

Итак, мы рассмотрели, что такое щеточный двигатель постоянного тока, как он устроен и каков его принцип работы. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Сопутствующие материалы:

• Что такое анод и катод
• Как работает магнитный пускатель
• Как понизить напряжение
• Что такое асинхронный двигатель

Опубликовано:
05. 06.2019
Обновлено: 05.06.2019

Пока без коментариев

Двигатель переменного тока Слюдяной коммутатор Коллектор двигателя постоянного тока Сегментный коммутатор для электродвигателя Armature-Ningbo Haishu Nide International Co., Ltd. в основном используется на арматуре всех видов автомобильных двигателей, электроинструментов и бытовой техники и т. Д. Наша компания сертифицирована по стандарту ISO9.001. Мы можем настроить в соответствии с потребностями клиентов, предоставить клиентам высококачественную продукцию, конкурентоспособные цены и гарантированное послепродажное обслуживание.

Основываясь на более чем 10-летнем опыте производства двигателей и коллекторов, мы используем передовое производственное оборудование и специальную технику, чтобы поставлять вам высококачественную продукцию, в том числе плоскостные, крюковые, ступенчатые коллекторы и токосъемные кольца.

Nide специализируется на исследовании, разработке и производстве щелевых, крюковых и плоских коллекторов для двигателей постоянного тока и универсальных двигателей. Наращивая опыт производства с момента своего основания, компания добилась больших успехов в интеграции передовых производственных процессов по всему миру и научных навыков управления, ее годовой объем производства достигает десяти миллионов штук, которые экспортируются в страны Европы, Юго-Восточной Азии, Гонконг Тайвань и др.

Заявка

1. Коллектор для бытовой техники: фен, миксер, пылесос, стиральная машина, соковыжималка, соковыжималка, соковыжималка и др. бытовая техника

2. Коллектор для автомобильной автомобильной промышленности : Запуск, генератор, стеклоочиститель, кондиционер, электрическое управление стеклоподъемниками, регулировка сиденья, двигатель зеркала, электронный тормоз, вентилятор радиатора, электронное рулевое управление, управление фарами, вентилятор нагнетателя, вентилятор отопителя, радиатор резервуара для охлаждающей воды и другие автоматические электронные машины.

3. Коммутатор для электроинструментов: прополочная машина, электрическая дрель, угловая шлифовальная машина, электрическая пила, молоток, режущий станок, электрическая пила, рубанок и  для других электрических инструментов.

4. Коммутатор для других отраслей промышленности: насосы, автомобильные аккумуляторы, насосы для мотоциклов, яхт, игрушки, электрические двери, тренажеры, аэрофотосъемка и т. д.

Технические характеристики

1.    поверхность смолы, без пузырьков и трещин

2. Испытание на вращение: 200ºC, 3000 об/мин, 3 мин, радиальное отклонение <0,015, бар на бар <0,006.

3. Испытание высоким напряжением: стержень к валу при 3500 В в течение 1 мин, стержень к стержню при 550 В в течение 1 с.

4. Испытание изоляции при 500 В, > 50 МОм

5. Материал меди: полосковая медь или электролитическая медь или по индивидуальному заказу

6. Размеры: от НД 4 мм до НД 150 мм. Мы также предоставляем индивидуальный коммутатор.

7.    Применение: применимо к автомобильной промышленности, электроинструментам, бытовой технике и другим двигателям

8.    Тип коллектора: крюкового, со стояком, оболочечного или плоского типа

Команда Nide предоставит клиентам передовые технологии, первоклассное качество и лучший сервис, всегда будет вашим обслуживанием.

Компания Nide также изготавливает коллектор в соответствии с требованиями заказчика.

Информация, необходимая для запроса коммутатора:

Было бы лучше, если бы клиент мог отправить нам подробный чертеж, включая информацию ниже.

1. Размеры коллектора: внешний диаметр, внутренний диаметр, общая высота и высота меди, номер стержня.

2. Тип коллектора: крюкового типа, с подставкой или планировщиком

3. Материал меди: Agcu/Cu

4. Применение коммутатора

5. Необходимое количество

6. Требуется или не требуется медная втулка

7. Прочие технические требования.

Nide производит более 1200 различных типов коммутаторов двигателей, включая крюковые, стоячие, корпусные, плоские, с внешним диаметром от 4 мм до 150 мм, и мы являемся профессионалами в производстве коммутаторов на протяжении многих лет. Коллекторы широко применяются в автомобильной промышленности, электроинструментах, бытовой технике и других двигателях.