Коллекторный электродвигатель — это специальное устройство, которое часто можно встретить в бытовых и производственных условиях. Двигатели такого типа имеют широкое применение:
- Их используют для приведения в движение электрических устройств;
- Применяют в электрических инструментах;
- Используют для работы автомобилей.
Роторы в таком устройстве регулируются очень легко, хотя на использование есть ограничения, как и минусы в использовании. Данный двигатель иногда сокращают маркировкой КДПТ.
О том, как работает такой вид электродвигателя и где их применяют чаще всего, расскажем в нашей статье.
Как устроен
Во всех определениях коллекторного электродвигателя можно увидеть, что главным целью использования элемента являются изменение положения валов и переключение обмотки. Отмечается, что работа данного устройство поддерживается как с помощью постоянного тока, так и с помощью постоянного и переменного тока.
Во всех электродвигателях такого типа есть роторы и статоры, причём первые являются аналогом якоря в аппарате. Для электрических машин якорь — это элемент, поглощающий ток и индицирующий силу движения.
Для чего используют эту часть? Обычно этот элемент располагается на валах (или роторах). Он похож на определённое количество пластинок, которые изолированы друг от друга и от самого ротора.
Пластинки называют ламелями. К ним подсоединяются отводы от якорных обмоток (картинка ниже изображают, как именно выглядя данные обмотки). По сути, каждая пластинка с концом предыдущей пластинки.
Через щётку к каждой обмотке поступает ток. При этом щётка является скользящим контактом. Когда вал вращается, он касается разных ламелей. Так переключаются обмотки, осуществляя работу коллекторного электродвигателя.
Узел щёток представляет собой закрепляющий элемент для держания щёточек. В таких узлах устанавливают щёточки из графита или металлографита. С помощью пружин реализуется наиболее надёжный контакт с коллекторным двигателем.
Кроме того, на статор устанавливают магниты (иногда их называют постоянными магнитами или электромагнитами), с помощью которых на статорах создаются магнитные поля.
В определениях статора всегда можно встретить непосредственно связанные с ним определения магнитных систем и индукторов. Картинка ниже демонстрирует элементы двигателя постоянного тока.
Теперь рассмотрим, как работает это приспособление.
Как работает
Протекающий по якорным обмоткам ток способствует созданию магнитного поля. Его направление определяется правилом буравчика. Якорное поле и поле статора связаны между собой, и создают вращение с помощью отталкивающихся друг от друга полюсов.
Если щётки меняют пластинки, ток протекает в другую сторону, при этом происходит изменение полюсов и повторение всего процесса.
Элементы с двумя полюсами не используют на мощных коллекторных устройствах. Объясняет это тем, что из-за неравномерного вращения сила тока не будет мощной. При этом в случае, если ротор находится в состоянии «перехода», вращения может вообще не начаться.
На современных коллекторных двигателях устанавливают большее количество обмоток, чтобы обеспечить нужное и плавное движение в устройствах. Чтобы лучше понять, как двигатели приходят в движение, рекомендуем ознакомиться со следующим видео.
Как коллекторные электродвигатели различаются между собой
Есть разные способы классификаций двигателей. Например, различают разный способ возбуждения двигателя:
- С помощью постоянного магнита (обычно используется в электродвигателях малой мощности);
- С помощью электрических магнитов (обычно используется в устройствах с большой мощностью, например, на заводском станке или грузоподъёмной машине).
Соединение обмоток тоже может стать причиной классификации:
- Последовательное соединение. Раньше такой способ назывался «сериесным» соединением. Подключение обмотки происходит последовательно к якорной обмотке. Плюс этого вида: быстрый запуск устройства. Минус: при уменьшении скорости вращения нагрузка на вал будет повышена, из-за этого велика вероятность, что двигатель износится раньше гарантированного срока эксплуатации.
- Параллельное соединение. Сейчас можно услышать, как его называют «шунтовым» соединением. Как понятно из названия, подключение является параллельным между обмотками. Обороты в этом случае происходят в состоянии относительной стабильности, они же и являются плюсом этого вида подключения. Минус: в случае возникновения обрыва цепи может сломаться весь элемент целиком.
- Независимое соединение. В этом случае каждая обмотка запитана от своего источника. Благодаря этому обороты можно подвергать точной регулировке. Чем-то напоминает параллельное соединение, плюсы и минусы в них похожи.
- Смешанное соединение. Частично обмотка подключается параллельным способом, тогда как другая часть последовательным способом. Плюсы обоих видов при этом актуальны для данного вида соединения.
Как подключить
Решение, как именно нужно соединить обмотки статоров и роторов, возникает в зависимости от конкретных двигателей. При этом схемы включений обматывающего элемента могут изменяться в зависимости от конкретного режима работы.
Если несколько элементов, с помощью которых осуществляется включение коллекторных двигателей малой мощности:
- Транзистор (он же полупроводниковый ключ).
- Тумблер переключения (возможно кнопки).
- Специальные микросхемы (или реле малой мощности).
Устройства с большей мощностью подключают к сети с помощью контакторов на два полюса. Как правило, на производствах принцип подключения цепи будет похожим, за исключением того, что диодный мост будет отсутствовать. В линиях с большой мощностью подключение происходит от подстанций, поэтому диодный мост им не нужен.
Когда полярность меняется на одной из обмоток, это приводит к осуществлению реверса. Нельзя изменять полярность на двух обмотках одновременно: в этом случае вращение вала не будет изменено, хотя с универсальным коллекторным двигателем такой проблемы не будет.
Чтобы запустить двигатель плавно, в цепь включают элемент регулировки. Таким может выступать реостат, с помощью которого можно не только запустить вал, но и контролировать частоту вращающегося элементы.
Иногда используется несколько постоянных резисторов, которыми тоже можно осуществлять регулирование.
Благодаря приложениям, сегодня частоту оборотов можно изменять разными способами. Например, для этого используют широтно-импульсную модуляцию. Иногда используют полупроводниковые ключи, особенно в электрических инструментах с аккумулятором. При этом в таких случаях коэффициент полезного действия повышается.
Где используют
Как мы писали в самом начале статьи, двигатели данного типа можно увидеть как в условиях быта, так и на больших производствах. Вкратце можно выделить следующие примеры использования:
- В современном автомобиле такие двигатели применяют для оснащения движением дворников на стёклах, стеклоподъемников, для пуска двигателя в самой машине. В целом коллекторный двигатель идеально подходит автомобилям.
- Часто коллекторные двигатели используют для приведения в движение кранов и лифтов.
- Детские игрушки тоже бывают оснащены двигателями: особенно машинки на радиоуправлении.
- В статье мы упоминали электрические инструменты с аккумулятором. К такому можно отнести дрель, болгарку, электрическую отвёртку.
В дорогих электрических инструментах сегодня используются электрические двигатели без коллектора.
Плюсы и минусы коллекторного электродвигателя
Несколько слов о достоинствах и недостатках коллекторных двигателей. К плюсам относят следующие:
- При маленьких размерах двигатели рассчитаны на большую мощность.
- Регулировать обороты очень просто, как и осуществлять плавный запуск двигателя.
- Момент пуска может происходить быстро.
К минусам относят следующие:
- Щётки двигателя быстро изнашиваются. Из-за этого двигатель приходится чаще обслуживать, заменяя в нём щётки.
- Поскольку щётки постоянно натирают коллектор, он тоже может проработать непродолжительное время.
- Иногда щётки искрят, поэтому их нельзя использовать в местах с большой вероятностью возникновения пожара.
- Поскольку обмотки постоянно переключаются, в электрической сети и питающих цепях могут возникать помехи. Из-за этих помех и другие устройства в сети могут совершать ошибки в работе.
- Коллекторные двигатели с постоянными магнитами сама сила магнита с течением времени может ослабеть, что снизит КПД элемента.
Это ключевые моменты, которые следует знать о работе коллекторного электродвигателя. Как мы писали, данные двигатели часто используют как в быту, так и на производстве, из-за того что с их помощью проще осуществлять движение механизма и количество оборотов на элементах вращения.
