Принцип работы коллекторного двигателя переменного тока

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и U_K должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

• отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Минусы:

• стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
• недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

• высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
• низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
• поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
• работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

• не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
• малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Сегодня уже невозможно представить, что бы мы делали без электрических двигателей. Они применяются буквально везде – в зубных щетках, принтерах, детских игрушках, в автомобилях в банкоматах и многом, многом другом. Двигатели коллекторные постоянного тока очень надежны.

Их конструкция практически не изменилась за последние сто лет. Сегодня мы расскажем вам все, что знаем об этих устройствах, так облегчающих жизнь современному человеку.

Основные понятия

Давайте вкратце пробежимся по строению двигателя, чтобы дальнейший материал был проще для усвоения.

Как устроен двигатель постоянного тока

На схеме выше вы можете рассмотреть основные части любого коллекторного двигателя постоянного тока. Его строение более чем классическое, и разница в двигателях достигается за счет их мощности и настроек.

Итак, давайте по порядку:

• Якорь или ротор – это подвижная часть устройства, которая и осуществляет механическую работу. Представляет собой он крепкий металлический вал, который закреплен в корпусе агрегата через подшипники качения, что, собственно, и позволяет детали вращаться.
• Смотрим на фото выше и идем справа налево, разбирая элементы, установленные на валу.
• На подшипнике мы видим пылезащитную шайбу. Она не дает механизму забиваться грязью, а также обеспечивает его надежную и мягкую фиксацию внутри металлического корпуса двигателя.
• Далее идут по кругу короткие параллельные пластины, которые изолированы друг от друга. Эта часть якоря и есть коллекторы двигателей постоянного тока. Их назначение состоит в том, чтобы постоянно во время вращения ротора менять запитываемые участки обмотки якоря, с целью достижения максимальной эффективности работы.

• Если вы не в курсе, что такое закон электромагнитной индукции, то сейчас вам, наверняка, стало непонятно, о чем мы только что сказали. Подождите немного, мы дадим разъяснения в следующей главе.
• Идем дальше. От коллектора отходит в разные стороны припаянная медная проволока. Это выводы обмотки якоря, которая запитывается через коллектор.
• Далее идет самая толстая и важная часть якоря, состоящая из магнитопровода (сердечника) – шихтованный бочонок, набранный из стальных пластин, и самой обмотки – медных проводов, уложенных определенным образом в пазах магнитопровода.

Интересно знать! Обмотку якоря от абразивной пыли защищает броня из шнура. Абразивная пыль внутри двигателя постоянно образуется из-за трения друг о друга металлических деталей в подшипнике.

• Венчает ротор пластиковая крыльчатка, которая отвечает за охлаждение двигателя во время его работы.

• Вторая, но не менее важна рабочая часть двигателя – это статор. Данная деталь является неподвижной. По сути, статор – это электромагнит, задача которого генерировать направленное магнитное поле.
• Состоит он из сердечника, также набранного из пластин, и обмотки.

Интересно знать! Обратите внимание, за исключением того, что ток на обмотку статора подается через неподвижные соединения на клеммы, и сама деталь является неподвижной, его строение точно такое же, как и у ротора, что и определяет свойства электрических двигателей.

• И статор, и ротор удерживаются в правильном положении за счет корпуса, который изготавливается из стали.
• К корпусу может присоединяться станина, которая обеспечивает устойчивость двигателя, но это уже больше зависит от типа мотора и режима его использования.

• Следующая важная часть двигателя постоянного тока – это щеточный аппарат. Эти детали является расходуемыми и заменяемыми в процессе эксплуатации. Они обеспечивают скользящий контакт. Именно так коллекторы для двигателей постоянного тока запитываются электричеством.
• Сделаны щетки из графита. Также есть модели с центральным медным стержнем, такие щетки называются медно-графитовыми.
• От щеток отходят провода, которые уже последовательно соединяются с системой управления двигателем и источником питания.

Электромагнитная индукция

Разобрав строение двигателя переменного тока с коллектором, давайте немного поговорим о законах физики, благодаря которым, сей агрегат может работать.

• Итак, суть любого электромотора заключается в преобразовании электрической энергии в кинетическую. То есть в механическое усилие, которое обычно передается на ведомые механизмы через вращающийся вал, посредством различных передач.
• Основной физический закон, заставляющий двигатель вращаться – это взаимодействие магнитных полей. Закон электромагнитной индукции также очень важен для понимания функционирования этих машин. Давайте попробуем немного в нем разобраться.
• На схеме выше показано, как функционирует генератор постоянного тока. Не спешите ругаться, принцип работы с двигателем у этого устройства имеет общие моменты и даже более…
• Мы видим постоянный магнит, создающий поле линии которого направлены от северного полюса к южному.
• Согласно закону электромагнитной индукции, если поперек этих волн переместить проводник, то в нем образуется электродвижущая сила (ЭДС). Другими словами, в проводнике индуцируется ток.
• Этот ток ничем не хуже любого другого, а значит, тоже создает магнитное поле вокруг проводника. Данный принцип заложен в работу двигателей с короткозамкнутым ротором. Но в нашем случае магнитное поле от ЭДС оказывает тормозящий эффект.
• Смотрим на внутреннюю часть схемы. Там мы видим вращающуюся рамку – простейший аналог обмотки якоря.

• Представим, что изначально рамка стоит горизонтально. Когда происходит вращение, части рамки аб и вг начинают пересекать магнитное поле. Ток начинает расти, пока рамка не займет строго вертикальное положение.
• Далее ток начинает падать до нуля, пока рамка снова не примет горизонтальную позицию.

Интересно знать! Падение происходит за счет того, что в таком положении проводники уже не пересекают магнитное поле, а скользят по его линиям.

• Данное положение является противоположным изначальному – части рамки поменялись местами.

• Продолжаем вращение. Ток начинает снова расти, но согласно правилу левой руки, он сменит свое направление в цепи на противоположное. Именно так действует генератор переменного тока. Его отличие от героя нашего обзора состоит в том, что у него нет коллектора, а вместо него используется сплошное контактное кольцо. Такой ток в графическом виде представляется как синусоида – смотрите изображение ниже, пункт «b».

• Смысл назначения коллектора в том, что он не дает току менять направление. Напоминаем, коллектор состоит из изолированных пластин, которые контактирую со щетками так, чтобы при смене полуоборотов рамки, они менялись местами.
• Графически ток, выдаваемый такой рамкой, показан на схеме выше, пункт «с».

Итак, это была вводная информация, которая позволит вам лучше понять то, о чем мы будем говорить во второй части статьи.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Уникальным свойством коллекторных машин является обратимость этих устройств. Что под эти понимается?

• Все просто! Данные агрегаты способны работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора постоянного тока, при соответствующем подключении статора и ротора двигателя.
• Когда машина постоянного тока подключается к источнику энергии, ток начинает бежать в обмотках ротора и статора агрегата. И там и там моментально образуются электромагнитные поля – якоря и возбуждения. Взаимодействие этих полей создает на роторе некий электромагнитный момент (М).
• Этот момент является вращающим, не обладающий тормозящим эффектом, как в генераторе тока.
• Под действием момента М якорь приходит в движение. При этом потребляется электрическая энергия из питающей сети.
• Когда ротор приходит в движение, в его обмотке начинает индуцироваться ЭДС, подобно тому, как мы описывали в предыдущей главе.

• Направление ЭДС легко определяется по правилу левой руки, подробное описание которого представлено на рисунке выше.
• Интересно то, что данная ЭДС будет направлена в противоположную сторону питающему ротор току, поэтому данная сила называется противо-ЭДС, то есть она тормозит якорь.
• Если не вдаваться в формулы и расчеты, то можно просто сказать, что при увеличении электромагнитного момента, то есть, когда возрастает нагрузка на вал двигателя, происходит рост мощности в обмотке якоря (на входе двигателя).
• Мы знаем, что напряжение, подводимое к двигателю, постоянно остается неизменным, а значит, из-за возрастания нагрузки происходит рост питающего ротор тока.
• Другими словами, частота вращения якоря будет прямо пропорциональной напряжению и обратно пропорциональной возбуждающему потоку. Растущий ток повышает момент вращения при неизменном нагрузочном моменте
• Говоря еще проще, зажмите чем-нибудь вал двигателя. При этом замедлится его вращение, а сила тока возрастет. Увеличьте силу тока без нагрузки на вал, он раскрутится сильнее, все просто.

Интересно знать! Если нагрузка на вал будет настолько сильной, что во время работы заставит вращаться его в обратном направлении, двигатель перейдет в режим генератора.

Разновидности двигателей постоянного тока

Все двигатели постоянного тока можно разделить по их мощности и назначению:

• Самые маленькие экземпляры имеют мощность в единицы Ватт.
• Их обычно устанавливают в небольшие устройства и детские игрушки. Их рабочее напряжение варьируется в пределах 3-9 Вольт, что могут обеспечить обычные батарейки.
• Строение основных рабочих частей таких двигателей следующее: трехполюсной ротор, коллектор с соответствующим количеством пластин, двухполюсной статор, роль которого выполняют постоянные магниты.
• Электродвигатели коллекторные постоянного тока средней мощности, которые выдают десятки ватт.
• Их строение немного отличается: многополюсной ротор и коллектор, щеточный аппарат из двух или четырех щеток, четырехполюсной статор на постоянных магнитах.

• Мощные агрегаты, выдающие и потребляющие сотни и тысячи Ватт энергии, имеют практически такое же строение, но вместо маломощных постоянных магнитов в них используются электрические.

Способы возбуждения двигателей постоянного тока

Существует четыре способа возбуждения двигателя постоянного тока.

Независимое возбуждение

Не трудно догадаться, что при такой схеме якорь двигателя питается от основного источника постоянного тока – от сети, генератора или выпрямителя, а обмотка возбуждения подключена к дополнительному источнику.

• Обмотка возбуждения имеет регулировочный реостат, позволяющий контролировать режимы работы двигателя.
• К цепи обмотки ротора подключается пусковой реостат. Его назначение — ограничение тока при пуске двигателя.
• Особенностью такой схемы является то, что возбуждающие токи от токов нагрузки не зависят, а значит, магнитный поток двигателя практически не будет зависеть от нагрузки. То есть зависимость частоты вращения и момента будут линейными.
• Огромный недостаток такого двигателя, это то, что если его включить без нагрузки, частота вращения станет очень большой, что может привести даже к выходу его из строя. Ток в обмотке якоря сильно возрастает, из-за чего может возникнуть круговой огонь.
• От работы двигателя в таком режиме защищает автоматика, которая отключает подачу питания.

Интересно знать! Чисто теоретически, работа в таком режиме не может заставить постоянно увеличиваться скорость вращения ротора. Она прекратит нарастать, когда противо-ЭДС достигнет значения напряжения питания.

• Если во время работы такого двигателя произойдет разрыв цепи возбуждения, при условии, что нагрузка на валу близка к номинальной, двигатель остановится, так как электромагнитный момент станет меньше, чем нагрузка на валу. В этом случае ток на обмотке якоря также резко возрастет, что приведет к его перегреву и прочим неприятным последствиям.

Параллельное возбуждение

В этой схеме обе обмотки питаются от одного источника. В цепи также включены два реостата – регулировочный и пусковой.

• Несмотря на подключение к одной сети, питание, по сути, остается независимым, а значит, ток обмотки возбуждения, также не будет зависеть от тока обмотки якоря.
• Двигатель с таким подключением имеет такие же характеристики, как и независимый.
• Тем не менее, разница есть – такой мотор будет работать только при условии, что напряжение источника питания остается неизменным.

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения имеет последовательное с якорем подключение.

• Для ограничения пускового тока в цепь может быть включен пусковой реостат, также может быть включен и реостат регулировочный.
• При таком подключении токи обмоток уже имеют зависимость друг от друга. При включении реостата они будут равными, а значит, магнитный поток будет зависеть от нагрузки.
• Магнитная система машины не будет насыщенной, пока ток обмотки якоря будет составлять 80-90% от номинального тока. Магнитный поток будет изменяться прямо пропорционально току, из-за чего скоростная характеристика агрегата будет мягкой.
• При возрастании тока частота вращения такого двигателя падает. Это происходит из-за возрастания падения напряжения в сопротивлении цепи обмотки якоря, а также из-за того что растет магнитный поток.
• Когда ток становится больше номинального, зависимости частоты вращения и момента становятся линейными, ведь магнитная цепь становится насыщенной, то есть при изменении тока магнитный поток больше изменяться не будет.

• Механическая характеристика такого двигателя имеет гиперболическую форму. При малых нагрузках будет сильно уменьшаться магнитный поток, а частота вращения возрастать, что также может привести к тому, что двигатель пойдет вразнос.
• Это обстоятельство ограничивает применение сих агрегатов в системах, предполагающих работу на холостом ходу или с низкими нагрузками.

Интересно знать! Минимально допустимая нагрузка для двигателей с последовательным возбуждением составляет 20-25% от номинального значения. Чтобы не допустить включение двигателя без нагрузки, его присоединяют с приводом через жесткую глухую муфту или зубчатую передачу. Ременные передачи и фрикционные муфты использовать нельзя, так как может случиться обрыв, а последствия вам уже известны.

Что интересно, несмотря на такой недостаток, эти двигатели очень распространены, особенно там, где имеется изменение нагрузки и тяжелые условия пуска, например, в электровозах, электрокарах, тепловозах и прочем.

И объяснить это очень просто – при мягкой характеристике возрастание нагрузки не приводит к сильному росту тока и потребляемой энергии, а значит, с перегрузками данные агрегаты справляются лучше. Также не забываем про высокий пусковой момент, чего лишены рассматриваемые ранее варианты двигателей.

Смешанное возбуждение

Магнитный поток внутри такого двигателя создается благодаря совместному взаимодействию двух обмоток возбуждения. Одна из них подключена независимо или параллельно, а вторая последовательно.

• Механическая характеристика такого агрегата представляет собой нечто среднее между предыдущими вариантами.
• Большим преимуществом такого двигателя является возможность работать в холостом режиме, обладая при этом мягкой характеристикой.

Интересно знать! В режиме холостого хода частота вращения зависит от магнитного потока обмотки, подключенной параллельно.

• К достоинствам таких двигателей можно отнести простоту производства, эксплуатации и ремонта. Они имеют солидный рабочий ресурс.
• Из недостатков выделяются – низкомоментность и быстроходность.

При замедлении скорости вращения они становятся малоэффективными, их сложно охладить.

Немного об универсальности

Давайте немного поговорим про универсальные коллекторные двигатели. Суть этих агрегатов заключается в том, что они могут работать как от постоянного, так и от переменного токов.

• Используются такие машины в основном на электроинструменте, и некоторой бытовой технике, так как имеет малые размеры и легкую регулировку скорости вращения вала.
• По сути, эти двигатели являются ДПТ с последовательно запитанными обмотками, просто они оптимизированы для работы от общественной сети переменного тока.
• Данный двигатель будет вращаться в одну сторону вне зависимости от того в какую сторону бежит ток по обмоткам, хотя противофазный эффект имеет место быть, но он незначителен.
• Подробно об этом мы писали в недавней статье про двигатели переменного тока, если интересно, советуем ознакомиться.

На этом закончим наш обзор. Как видите, коллектор электродвигателя постоянного тока это небольшая, простая, но очень важная деталь, отличающая такие моторы от вариантов, работающих на переменном токе. Видео, которое мы подобрали, поможет еще лучше усвоить материал.

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.