Что такое коллекторный электродвигатель

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. ).

Электродвигатели классифицируют по роду питающего напряжения, конструктивному исполнению, принципу действия, способу действия, способу возбуждения, числу фаз питающей сети, наличию коллекторно-щеточного узла и другим признакам.

По конструктивному исполнению двигатели постоянного тока подразделяют на коллекторные и безколлекторные. Также подразделяют асинхронные электродвигатели переменного тока. Бесколлекторные двигатели постоянного тока не имеют коллекторно-щеточного узла и не являются источником радиопомех. Однако стоимость их выше, поэтому в бытовых приборах применяют коллекторные электродвигатели. Такие двигатели бывают с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением. Последние по способу включения обмотки возбуждения подразделяют на двигатели с независимым, параллельным (шунтовым), последовательным возбуждением.

В тех случаях, когда необходимо регулировать частоту вращения, используют электродвигатели постоянного тока и значительно реже в этих случаях более дорогие и менее надежные коллекторные электродвигатели переменного тока. У последних частота вращения плавно регулируется в широких пределах. Мощность электродвигателя от десятых долей Вт до десятков МВт. Различают электродвигатели в открытом исполнении, в которых вращающиеся и токоведущие части защищены от случайного прикосновения и попадания посторонних предметов; в защищенном исполнении (капле и брызгозащищенные), закрытые (пыле и влагозащищенные) и герметичные; взрывобезопасные, в которых пламя не выходит за пределы двигателя при взрыве внутри него.

Коллекторные двигатели (однофазовые и трехфазовые) в отличие от безколлекторных, имеют гибкие регулировочные характеристики. Однофазовые двигатели малой малой мощности широко используются в бытовых электро приборах. Трехфазовые двигатели мощностью несколько квт применяются главным образом в электроприборах с широким диапазоном регулировки скорости.

Коллекторные электродвигатели могут иметь частоту вращения более 3000 мин. Их целесообразно используют в бытовых приборах, для которых по условиям технологического процесса необходима высокая частота вращения рабочих органов при питании от сети переменного тока промышленной частоты (пылесосы, полотеры, миксеры, смесители, кофемолки, щетки для чистки одежды и обуви).

Стандартные значения номинальных частот вращения электродвигателей постоянного тока, однофазовых коллекторных переменного тока и универсальных коллекторных — 1000, 1500, 2000, 3000, 5000, 8000, 10000, 12000, 15000, и 18000 мин. Для универсальных коллекторных под номинальной понимают частоту вращения при переменном токе. Коллекторные электродвигатели переменного тока отличаются от коллекторных постоянного тока, тем что их магнитную систему (индуктор и якорь) выполняют шихтованной для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. В коллекторных электродвигателях переменного тока независимого возбуждения обмотка возбуждения “ОВ” и обмотка якоря “Я” подключены параллельно источнику питания. Если пренебреч потерями на гистерезис и вихревые тока, можно считать, что магнитный поток возбуждения Iв (рис. а). Обмотка якоря “Я” имеет значительно меньшее индуктивное сопротивление, чем обмотка возбуждения. Вследствие этого ток Iа, протекающий в ней, опережает по фазе ток возбуждения Iв, следовательно, и магнитный поток Ф. Вращающий момент развиваемый электродвигателем, зависит от произведения магнитного потока на ток обмотки якоря. Произведя графическое умножение тока обмотки якоря и магнитного потока Ф, получим график зависимости электромагнитного момента М, развиваемого электродвигателем от времени. В момент времени, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря совпадают по фазе (имеют одинаковое направление), электродвигатель развивает положительный вращающий момент. В момент времени, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря не совпадают по фазе, двигатель развивает отрицательный вращающий момент, который является тормозным. Результирующий вращающий момент будет равен некоторой средней величине Мф. В коллекторных электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения “ОВ” и обмотка якоря включены последовательно. Если пренебречь потерями на гистерезис и вихревые токи, то магнитный поток возбуждения совпадает по фазе с током возбуждения Iв (рис). Вследствие того, что обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения, ток, протекающий в ней, совпадает по фазе с током, протекающим в обмотке возбуждения, а следовательно, и с магнитным потоком Ф. Вращающий момент, развиваемый электродвигателем в любой момент времени будет положительным. Поэтому средний вращающий момент Мср, развиваемый электродвигателем при последовательном вожбуждении, будет выше, чем при независимом возбуждении. Поэтому электродвигатели переменного тока с последовательным возбуждением наиболее распространены. Они имеют более низкие энергетические показатели, чем электродвигатели постоянного тока вследствии потерь на гистерезис и вихревые токи.

Универсальные электродвигатели применяют, когда неизвестно заранее, от какой сети будет осуществляться питание прибора или когда по условиям эксплуатации необходим переход от питания постоянным током к питанию переменным током (электробритвы). Магнитная система выполнена аналогично магнитной системе коллекторных электродвигателей переменного тока.

В универсальных электродвигателях стремятся получить одинаковые характеристики при работе от сети переменного и постоянного тока. Однако, в обычном исполнении коллекторных электродвигателей с последовательным возбуждении не удается получить такого совпадения характеристик, т.к. при питании от сети переменного тока возникает дополнительное сопротивление за счет индуктивности обмоток якоря и возбуждения. Вследствие этого частота вращения универсального электродвигателя при питании от источника переменного тока при заданном моменте нагрузки будет меньше, чем при питании от источника постоянного тока.

Для сближения характеристик двигателя при постоянном и переменном токе предусматривают секционирование обмотки возбуждения. При питании от сети постоянного тока включена вся обмотка возбуждения, а при питании от сети переменного тока включена только ее часть. Однако и в этом случае не удается получить полного совпадения характеристик. Ток, потребляемый универсальным двигателем, при работе от сети переменного тока больше, чем при работе от сети постоянного тока, т.к. переменный ток, кроме активной, имеет еще и реактивную составляющую, обусловленную током намагничивания. У универсального электродвигателя на переменном токе КПД ниже вследствие потерь в стали якоря и индуктора, вызванных переменным магнитным потоком. Условия коммутации на переменном токе хуже, чем на постоянном, что сокращает срок службы электродвигателя. Регулировочные и тормозные характеристики у электродвигателей коллекторного типа аналогичны.

Электродвигатель постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной — статора и вращающейся — якоря, разделенных воздушным зазором.

На внутренней поверхности станины статора расположены сердечники полюсов с катушками возбуждения (для двигателей с электромагнитным возбуждением). Со стороны, обращенной к якорю, сердечники полюсов имеют полюсные наконечники, которые обеспечивают необходимое распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами и состоящее из сердечника, жестко закрепленного на валу, обмотки, коллектора и щеточного узла. Сердечник якоря собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, покрытых изолирующим лаком, что уменьшает потери от вихревых токов, которые возникают при вращении якоря в магнитном поле полюсов. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, в которых расположена обмотка якоря. Часть сердечника якоря, занятую пазами (зубцами), называют зубцовой зоной и валом — ярмом. Коллектор набирают из отдельных изолированных друг от друга коллекторных пластин клиновидного сечения, изготовленных из меди, с которыми соединена обмотка якоря. Коллектор совместно со щеточным узлом служит для подведения тока в обмотку якоря. Обмотка якоря представляет собой замкнутую систему проводников, уложенных в пазы и соединенных по определенной схеме. Основным элементом обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких витков. Начало и конец секции присоединены к двум коллекторным пластинам. Каждая секция состоит из активных сторон, которые расположены в пазах сердечника якоря, и лобовых частей, посредством которых активные части секции соединяются между собой и с коллекторными пластинами. Для лучшего использования материала обмотки якоря активные стороны каждой секции располагают под разноименными полюсами, так что ширина секции равна приблизительно полюсному делению

D — диаметр якоря,

2p — число полюсов.

При двухслойных обмотках активные стороны секций расположены в пазах в два слоя. В каждом пазу находятся активные стороны двух различных секций. Активная сторона одной секции расположена в верхнем слое, активная сторона другой секции расположена в нижнем слое, при этом, если одна активная сторона секции в каком-либо пазу находится в верхнем слое, то другая активная сторона этой же секции будет находиться в другом пазу в нижнем слое. Активные стороны секций, расположенные в верхнем слое-штриховыми.

Две активные стороны различных секций, расположенные одна над другой, образуют элементарный паз. В одном реальном пазу сердечника якоря может быть один или несколько элементарных пазов.

Одинарный Двойной Тройной

Способ соединения секций между собой и с коллекторными пластинами определяется типом якорной обмотки. В электродвигателях малой мощности наиболее распространены простые петлевая и волновая обмотки.

На простой петлевой обмотке начало и конец крайней секции соединены с соседними коллекторными пластинами. Каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а начало ее присоединяется к коллекторной пластине, которая соединена с концом предыдущей секции. После одного полного обхода окружности якоря конец последней секции соединяют с коллекторной пластиной, с которой соединено начало первой секции.

В простой волновой обмотке (рис. е) последовательно соединяются секции, расположенные под разными полюсами. Начало каждой последующей секции соединяются с коллекторной пластиной, с которой соединен конец предыдущей секции. При этом после одного обхода окружности якоря последовательным соединением р секции приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Однако в отличие от простой петлевой обмотки, начало и конец каждой секции соединяются с коллекторными пластинами, расположенными друг относительно друга на расстоянии, равном приблизительно двойному полюсному делению.

Независимо от типа обмотки к каждой пластине присоединяется конец одной секции и начало следующей за ней, поэтому каждой секции обмотки якоря соответствует одно деление коллектора. Если число S секций, а число делений коллектора k, то S = k.

Любая якорная обмотка характеризуется четырьмя параметрами, необходимыми для построения ее схемы:

Первый частичный шаг обмотки по якорю У1;

Второй частичный шаг обмотки по якорю У2;

Результирующий шаг обмотки якоря У;

Шаг обмотки по коллектору Ук.

Первый, второй и результирующий шаги обмотки измеряются

количеством элементарных пазов и связаны между собой соотношением:

Шаг обмотки по коллектору измеряется числом коллекторных делений (пластин).

Для простой петлевой обмотки коллекторный шаг Ук = +/- 1, где знак “+” означает, что каждая последующая по схеме секция лежит справа от предыдущей (рис. д) (правая обмотка), знак “-” — слева (левая обмотка).

Для простой волновой обмотки коллекторный шаг Ук = (k +/- 1) / p , где знак “+” означает что конец последней секции обмотки соединяется с коллекторной пластиной, расположенной справа от исходной (правая обмотка), “-” — слева.

В обмотке любого типа шаг обмотки по коллектору должен быть равен результирующему шагу обмотки по якорю, т.е. должно удовлетворяться равенство У = Ук .

Простые петлевые обмотки применяются в основном в электродвигателях, рассчитанных на работу при сравнительно небольших напряжениях, простые волновые — в электродвигателях с повышенным напряжением питания. Двигатели бытовых приборов имеют, как правило, петлевые обмотки, т.к. напряжение источника питания их не превышает 220В.

В соответствии с ГОСТ 14254-69 для характеристики защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями, находящимися внутри электродвигателя и от попадания внутрь электродвигателя твердых посторонних тел установлено семь степеней, а для характеристики защиты от попадания внутрь его вожы — девять степеней защиты.

Условное обозначение степени защиты электродвигателя состоит из условных букв IP, цифрового обозначения степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями и от попадания внутрь электродвигателя твердых посторонних тел и воды. Степень защиты электродвигателя, конструкция которого исключает возможность соприкосновения пальцами с токоведущими и движущимися частями внутри электродвигателя, а так же предохраняет внутренние части от попадания твердых посторонних тел диаметром более 12,5мм и дождя, падающего под углом не более 60 градусов к вертикали, обозначают IP23. Степень защиты электродвигателей указывают в технических условиях или частных стандартах на конкретные типы электродвигателей.

Шумы и вибрации, возникающие при работе двигателей, имеют одинаковую природу и отличаются только способом их передачи. Вибрация передается конструкцией двигателя к окружающим деталям или частям, а шум — окружающим двигатель воздухом. Причины шума и вибрации:

Трение в подшипниках.

Трение щеток о коллектор.

Колебания частей двигателя под действием переменных электромагнитных сил, вызванных зубчатой структурой воздушного зазора.

Чрезмерное насыщение магнитной системы и др.

В качестве нормируемой величины для оценки шума принят средний уровень звука А на расстоянии 1м от контура электродвигателя. По уровню шума двигатели малой мощности до 550Вт разделены на 4 класса: I, II, III, IV. Коллекторные двигатели относятся к классу I.

Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

Преимущества:
• лучшее соотношение цена/качество
• высокий момент на низких оборотах
• быстрый отклик на изменение напряжения

Недостатки:
• постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
• независимого возбуждения
• последовательного возбуждения
• параллельного возбуждения
• смешанного возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения U_ОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

Преимущества:
• практически постоянный момент на низких оборотах
• хорошие регулировочные свойства
• отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)

Недостатки:
• дороже КДПТ ПМ
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (I_в = I_а), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (I_а &lt I_ном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф

I_а), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:

,

• где M – момент электродвигателя, Н∙м,
• с_М – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
• Ф – основной магнитный поток, Вб,
• I_a – ток якоря, А.

С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током I_а и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом I_а практически не увеличивается. График зависимости M=f(I_a) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию [3].

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

Преимущества:
• высокий момент на низких оборотах
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• низкий момент на высоких оборотах
• дороже КДПТ ПМ
• плохая управляемость скоростью из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от КДПТ ПМ и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль [4].

Преимущества:
• хорошие регулировочные свойства
• высокий момент на низких оборотах
• менее вероятен выход из под контроля
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• дороже других коллекторных двигателей

Двигатель смешанного возбуждения имеет эксплуатационные характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Он имеет высокий момент на низких оборотах, так же как двигатель последовательного возбуждения и хороший контроль скорости, как двигатель параллельного возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения идеально подходит для устройств автомобилей и промышленности (таких как генераторы). Выход двигателя смешанного возбуждения из под контроля менее вероятен, так как для этого ток параллельной обмотки возбуждения должен уменьшиться до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть закорочена.

Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также регулировочными свойствами.

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

Для коллекторного электродвигателя постоянного тока постоянная момента определяется по формуле:

,

• где Z — суммарное число проводников,
• Ф – магнитный поток, Вб [1]

Пылесос, кофемолка, дрель, перфоратор, триммер — далеко не полный перечень оборудования, в котором используется преобразование электрической энергии в механическую для работы бытовых устройств.

Они содержат сложные технические узлы, требуют умелого обращения, периодического осмотра, правильного обслуживания. При небрежной работе возникают различные поломки.

Материал статьи представляет советы домашнему мастеру, работающему с электрическими инструментами или планирующему самостоятельный ремонт электродвигателя с щеточным механизмом и коллектором. Текст наглядно дополняется схемами, картинками и видеороликом.

Предоставленная информация собрана с целью привлечь внимание пользователей к правилам эксплуатации бытовых приборов с коллекторным двигателем. Она поможет осознанно фиксировать возникающие дефекты работающей схемы, оперативно устранять их.

Компоновка и принцип работы

Подвижная часть коллекторного двигателя, как и любого другого, механически сбалансирована и закреплена в подшипниках вращения, вмонтированных в неподвижную станину.

Стационарный статор и вращающийся ротор имеют собственные обмотки из изолированного провода. По ним протекает электрический ток, создающий магнитные поля со своими полюсами: северным N и южным S.

При взаимодействии этих двух электромагнитных полей создается вращение ротора.

Поскольку к обеим обмоткам необходимо постоянно подводить напряжение, а ротор вращается, то для него смонтировано специальное устройство: коллектор с щеточным механизмом.

Электрическая схема

Для практических работ удобно пользоваться двумя видами ее представления:

Упрощенное отображение

Способ позволяет очень просто представить подключение всех обмоток двигателя к схеме электрической сети.

Выключатель разрывает оба потенциала фазы и нуля или один из них. Через щетки с коллектором создается цепь тока по обмоткам ротора.

Принципиальная схема

В зависимости от конструктивных особенностей обмотки статора и ротора могут иметь дополнительные отводы для питания различных устройств управления и автоматики коллекторного двигателя или обходиться без них.

Термозащита исключает перегревание изоляции обмоток двигателя. Она снимает напряжение питания при срабатывании датчика, останавливая вращение ротора и исполнительного механизма.

Тахогенератор позволяет судить о скорости вращения ротора. У отдельных двигателей его заменяют датчиком Холла. Для передачи сигналов к этим устройствам тоже используются контакты коллекторных пластин.

Проблемные места конструкции

Чаще всего неисправности могут возникнуть в:

• подшипниках:
• щеточном коллекторном узле;
• слое изоляции обмоток и проводов.

Подшипники

Их расположение выполняется по краям ротора с таким условием, чтобы максимально передавать осевую нагрузку крутящего момента.

У обычного бытового инструмента они могут повреждаться по двум основным причинам:

1. от неправильного приложения нагрузки:
2. в результате загрязнения.

Направления приложенных усилий

Подшипники бытового электроинструмента, как правило, не предназначены для восприятия боковых нагрузок. От частого их приложения, например, когда при работе дрелью нагружают не конец сверла, а прорезают щелевые отверстия его боком, на подшипниковый механизм передаются биения вала, создающие дополнительные люфты шариков в обоймах.

Работа в загрязненной среде

Коллекторный двигатель имеет воздушную систему охлаждения. Крыльчатка, надетая на ротор, забирает воздух через специальные щели в кожухе двигателя и прогоняет его по всему корпусу для отвода излишнего тепла от нагревающихся обмоток. Теплые потоки выбрасываются через специальные отверстия.

Если в помещении создана пыльная среда, то она будет засасываться внутрь корпуса и проникнет на подшипники и коллекторно-щеточный механизм. Возникнет абразивное воздействие на соприкасающихся при вращении частях, их преждевременный износ, а также нарушение электрической проводимости на контактах щеток.

Использование коллекторного двигателя не по назначению, например, сбор потока строительной пыли бытовым пылесосом вместо строительного, наиболее частая причина его поломки.

Отчего искрят щетки

Конструктивные особенности

При работе двигателя происходит постоянное трение щеток о контактные пластины коллектора, что требует периодического осмотра.

На рабочих поверхностях медных площадок появляется незначительный слой угольной пыли, как показано на фотографии. Это связано с расходом материала и износом щеток.

Этот процесс идет всегда при работе коллекторного двигателя. Даже при нормальном скольжении щетки создается незначительный разрыв цепи электрического тока. А это всегда связано с искрообразованием из-за возникновения переходных процессов и появлением микроскопических дуг. К тому же обмотки обладают высоким индуктивным сопротивлением.

Поэтому полностью исправный щеточный механизм при номинальной работе искрит, что не заметно взглядом, но ощущают чувствительные электронные приборы: телевизоры, компьютеры и другая техника. В схему их питания всегда устанавливают помехоподавляющие фильтры. Примером служит приведенная на сайте электрическая схема микроволновой печи с выделенным фрагментом зеленого цвета.

Износ материала щеток

Прижимаемая к коллекторной пластине токоведущая часть выполнена из угля. Ее объём изнашивается, а длина уменьшается. При этом ослабляется усилие нажима, создаваемое расправляемой пружиной.

Этот процесс может учитывается или не приниматься во внимание в разных конструкциях коллекторных двигателей.

Раритетные образцы

На старом двигателе выпуска 1960 года, приведенном в качестве примера, сжатие пружины осуществляется усилием завинчивания диэлектрической крышки.

Процесс установки щетки показан ниже.

Двигатель пылесоса

Описанная в статье об изготовлении самодельного триммера конструкция щеточного механизма имеет винт фиксации корпуса щетки.

Его установка показана на очередной фотографии. Обратите внимание, что сама щетка неоднократно стачивалась в процессе длительной работы и заменялась выточенным из угольного электрода батарейки по форме предыдущей.

При самостоятельном изготовлении щеток обращайте внимание на плотность ее входа в гнездо и перпендикулярное положение к оси вала. Если она будет меньшего размера, то при работе возникнет перекос. Он приведет к излишнему искрению и снижению ресурса двигателя.

Поэтому желательно использовать заводские щетки от производителя.
Существуют и другие технические решения этого вопроса.

Как проверить степень износа щетки

Основной метод связан с визуальным осмотром. В интернете можно встретить советы, рекомендующие прижать при работе двигателя щетку отверткой и оценить изменение оборотов ротора.

Это опасная операция, выполнять которую может только обученный и опытный персонал потому, что:

• необходимо пользоваться защитными средствами: работа выполняется под напряжением;
• существует вероятность создания короткого замыкания, ибо проверять придется обе щетки по очереди или одновременно и использовать отвертки с изолированными стержнями и наконечниками.

Если внешний осмотр показал, что длина щетки сильно уменьшена или рабочая поверхность имеет сколы, то ее необходимо просто заменить.

Загрязненный коллектор

Образование излишнего слоя угольной пыли с хорошими токопроводящими свойствами на пластинах может стать причиной их замыкания. Необходимо ее удалять не только с внешней поверхности, но и из промежутков между ними.

Графитовую пыль можно стереть слегка смоченной в спирте или бензине мягкой ветошью или убрать тонкой деревянной палочкой.

Когда коллекторные пластины потеряли первоначальную форму и стали с выемками, то их восстанавливают наждачной шкуркой с самым мелким зерном на токарных станках. Это сложная операция, требующая специального оборудования, но она способна продлить ресурс коллекторного двигателя.

Межвитковые замыкания в обмотках

Их образование на статоре или роторе резко снижает индуктивное сопротивление, ведет к появлению дополнительных искр между различными секциями коллектора и щеток. Возникает дополнительный перегрев.

Обмотка ротора

Поврежденную секцию в отдельных случаях можно наблюдать визуально по изменению цвета. Для выполнения электрических замеров потребуется точный омметр. Технологию проверки демонстрирует видео владельца altevaa TV “Проверка якоря коллекторного двигателя”.

Ремонт поврежденной обмотки ротора — операция сложная. Иногда проще купить новый.

Обмотка статора

Неисправность можно выявить замером активной составляющей электрического сопротивления по мостовой схеме у каждой полуобмотки. Но это тоже довольно сложно.

Пробой диэлектрического слоя изоляции

Кратко коснемся причин образования дефектов и защитных устройств, которыми необходимо пользоваться.

Как возникают неисправности

Медные провода жил всех обмоток покрыты слоем лака, который может повреждаться от:

• неосторожно приложенных механических нагрузок;
• при повышенной температуре.

От этих же факторов возникают дефекты изоляции питающих проводов с полихлорвиниловым покрытием.

В результате этих воздействий появляются следующие неисправности электрической схемы:

• межвитковое замыкание, создающее дополнительный путь для протекания тока утечек, который значительно снижает рабочие характеристики двигателя;
• короткое замыкание, способное выжечь провода.

Защитные устройства

Термореле

Встроенная во многие коллекторные двигатели функция защиты от перегрева работает автоматически. Когда оборудование отключается от его частой работы, то необходимо искать причину завышения температуры. К сожалению, часть пользователей старается заблокировать термореле. Это приводит к поломке с трудно восстанавливаемым ремонтом.

Автоматический выключатель

Ликвидация короткого замыкания и перегруза внутри электрической схемы двигателя возложена на бытовой автомат, питающий силовую розетку. Он устанавливается в квартирном щитке и по своим техническим характеристикам должен соответствовать рабочему и аварийному режиму коллекторного двигателя.

Без защиты налаженным автоматическим выключателем пользоваться инструментом с коллекторным двигателем опасно для жизни.

УЗО предотвращает стекание потенциала фазы через тело человека на землю. Оно тоже устанавливается в квартирном щитке.

Для закрепления материала рекомендуем посмотреть ролик владельца slavnatik “Почему искрит болгарка”.

Напоминаем, что сейчас вам удобно задать вопросы в комментариях и поделиться статьей с друзьями в соц сетях.