Меню

Устройство щеточного аппарата электродвигателя постоянного тока



Как работает коллекторный двигатель со щеточным механизмом в бытовой технике

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
  • Электрическая схема
    • Упрощенное отображение
    • Принципиальная схема
  • Проблемные места конструкции
    • Подшипники
    • Отчего искрят щетки
    • Пробой диэлектрического слоя изоляции

Компоновка и принцип работы

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

Коллекторный электродвигатель

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:

  1. упрощенным;
  2. более подробным.

Упрощенное отображение

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

Упрощенная электрическая схема болгарки

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.

Принцип подключения электродвигателя болгарки

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.

Подшипники коллекторного двигателя

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.

Осмотр щеток и коллектора ротора двигателя

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.

Принципиальная электрическая схема микроволновой печи

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.

Щетки коллекторного двигателя

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.

Раритетный коллекторный двигатель

Процесс установки щетки показан ниже.

Установка щетки

Двигатель пылесоса

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

Щеточный механизм самодельного триммера

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.

Последовательность установки самодельной щетки

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.

Загрязненный коллектор

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.

Читайте также:  Определите силу тока в цепи включенной под напряжением 220 в
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.

Автоматический выключатель

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

Принцип работы УЗО

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.

Источник

Конструкция машины постоянного тока

Дата публикации: 03 декабря 2011 .
Категория: Статьи.

В статье описано устройство стандартной машины постоянного тока. Рассмотрено, что из себя представляют главный и дополнительный полюс, якорь, коллектор и щеточный аппарат.

Рассмотрим несколько подробнее устройство машины постоянного тока и приведем краткое описание ее главных конструктивных элементов.

Конструкция полюсов

На рисунке 1 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 – 1 мм, а иногда также из листов конструкционной стали толщиной до 2 мм. Так как магнитный поток полюсов в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга обычно не изолируются. Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя, уширенная, часть сердечника называется полюсным наконечником или башмаком. Расположенная на полюсе обмотка часто разбивается на 2 – 4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Рисунок 1. Главный полюс машины постоянного тока

Число главных полюсов всегда четное, причем северные и южные плюсы чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов. Катушки всех полюсов соединяются обычно последовательно. Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0,5 – 3% от номинальной мощности машины. Первая цифра относится к машинам мощностью в тысячи киловатт, а вторая – к машинам мощностью около 5 кВт.

Для улучшения условий токосъема с коллектора в машинах мощностью более 0,5 кВт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюсы, которые меньше главных по своим размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготавливаются из конструкционной стали.

Как главные, так и дополнительные полюсы крепятся к ярму с помощью болтов. Ярмо в современных машинах обычно выполняется из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из стального листового проката, а также из стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяется.

В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно также станиной, т. е. той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Конструкция якоря

Рисунок 2. Диск (а) и сегмент (б) стали якоря

Сердечник якоря набирается из штампованных дисков (рисунок 2, а) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непосредственно на вал (при Dа ≤ 75 см), либо набираются на якорную втулку (Dа ≥ 40 см), которая надевается на вал. Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляют из штампованных сегментов (рисунок 2, б) электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, который изготовляется обычно из листового стального проката и с помощью втулки соединяется с валом. Для крепления к корпусу якоря сегменты отштамповываются с гнездами для ласточкиных хвостов либо с выступающими ласточкиными хвостами (рисунок 3).

Рисунок 3. Крепление сегментов стали якоря с помощью ласточкиных хвостов

1 – вентиляционные распорки; 2 – лист стали якоря; 3 – стяжной болт; 4 – ребро ступицы якоря; 5 – лист ступицы якоря

В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы вентиляции могут быть аксиальные или радиальные каналы. Аксиальные каналы образуются выштампованными в дисках сердечника отверстиями. Радиальные каналы создаются с помощью вентиляционных распорок или ветрениц, посредством которых сердечник якоря (рисунок 4) подразделяется на отдельные пакеты 1 шириной 40 – 70 мм и каналы 2 между ними шириной около 5 – 10 мм. Ветреницы приклепываются или привариваются к крайним листам пакетов. Сердечник якоря крепится с помощью нажимных плит или фланцев 6.

Рисунок 4. Сердечник якоря с обмоткой

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря (рисунок 4) лобовые части обмотки 3 имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 5, а по внешней поверхности крепятся проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется с коллектором 4.

Воздушный зазор между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных – до 1 см.

Конструкция коллектора

Рисунок 5. Коллектор

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано на рисунке 5. Он состоит из медных пластин 1 толщиной 3 – 15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо, которое скрепляется с помощью нажимных фланцев 4, стянутых стяжными болтами 7. От нажимных фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллекторными манжетами 2. Собранный коллектор крепится на валу 6 с помощью шпонки 5. К каждой пластине коллектора присоединяются соединительные проводники – «петушки» 3 – от обмотки якоря.

Подобное в принципе устройство имеют коллекторы подавляющего большинства машин. В последнее время в малых машинах коллекторные пластины с миканитовыми прокладками часто запрессовывают на пластмассу.

Конструкция щеточного аппарата

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.

Одна из типичных конструкций щеткодержателя показана на рисунке 5. Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно. Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся к щеточной траверсе (рисунок 7)

Щеткодержатель со щеткой

Рисунок 6. Щеткодержатель со щеткой
1 – обойма щеткодержателя; 2 – щетка; 3 – нажимная пружина; 4 – токоведущий кабель; 5 – колодки для крепления к пальцу

Рисунок 7. Крепление щеточного пальца к траверсе
1 – палец; 2 – траверса; 3 – изоляция; 4 – токособирательная шина

и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах – к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Общий вид машины постоянного тока

На рисунке 8 приведен чертеж, а на рисунке 9 – фотография машины постоянного тока в разобранном виде.

Общий вид электродвигателя постоянного тока

Рисунок 8. Общий вид электродвигателя постоянного тока 14 кВт, 220В, 1500 об/мин
1 – люковая крышка; 2 – коллекторная пластина; 3 – крепление коллектора пластмассой; 4 – кольцо для размещения корректирующих масс; 5 – траверса; 6 – передний подшипниковый щит; 7 – вал; 8 – обмоткодержатель; 9 – бандаж лобовых частей якоря; 10 – катушка добавочного полюса; 11 – сердечник добавочного полюса; 12 – станина; 13 – рым; 14 – сердечник якоря; 15 – сердечник главного полюса; 16 – катушка главного полюса; 17 – вентилятор; 18 – задний подшипниковый щит; 19 – задняя крышка подшипника; 20 – шариковый подшипник; 21 – передняя крышка подшипника; 22 – свободный конец вала; 23 – паз якоря; 24 – соединительные провода (выводы) от обмоток к доске выводов; 25 – коробка выводов

Электродвигатель постоянного тока типа П52

Рисунок 9. Электродвигатель постоянного тока типа П52, 8 кВт, 220 В, 43 А, 1500 об/мин

Одноякорные машины постоянного тока строятся мощностью до 10 МВт и напряжением преимущественно до 1000 В. Для электрифицированных железных дорог выпускаются также машины напряжением до 1500 В. На напряжения свыше 1500 В машины постоянного тока изготавливаются редко, так как с увеличением напряжения условия токосъема с коллектора ухудшаются.

В отдельных случаях (мощные ледоколы, приводы аэродинамических труб и пр.) требуются двигатели постоянного тока мощностью 15 – 30 МВт. В машинах с одним якорем получение таких мощностей не возможно, и поэтому строятся двух-, трех- и четырехъякорные машины, которые представляют собой многомашинные агрегаты с общим валом.

Читайте также:  Стекло это изолятор электрического тока

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник

Назначение, материал и устройство щеток электрических машин постоянного тока

В электрических двигателях и генераторах часто необходимо установить электрическое соединение между неподвижной и вращающейся частью устройства.

В случае статорной (т. е. неподвижной) основной обмотки электрической машины устройство от нее ответвлений для присоединения внешней неподвижной электрической системы осуществляется легко, в случае же роторной (т. е. вращающейся) основной обмотки возникает необходимость в устройстве скользящего электрического контакта, так как иначе роторная обмотка недоступна.

Скользящий электрический контакт может быть осуществлен двумя способами: либо в виде кольцевого скользящего контакта, либо в виде коллекторного скользящего контакта. В обоих случаях для работы электрической машины нужны специальные устройства — щетки.

Для чего нужны щетки в электрических машинах

Медные, железные и бронзовые щетки, которые очень хорошо выполняли свою работу в первых машинах постоянного тока в конце XIX века, оказались не очень хорошими материалами в отношении трения. Они быстро изнашивались и в новых конструкциях машин были заменены на угольные и графитовые.

В настоящее время для машин постоянного тока применяют почти исключительно угольные щетки с примесью графита, носящие, в зависимости от процентного содержания графита и от способа изготовления щеток, названия угольно-графитовых, графитовых, либо электрографитовых. Лишь для машин на небольшие напряжения, до 30 В, применяют металло-угольные щетки, дающие меньшее падение напряжения в контактном (переходном) слое на коллекторе.

Угольные щетки изготовляются из чистого графита, ретортного угля и сажи в разнообразных пропорциях. Уголь — самосмазывающийся материал, который не повреждает поверхность, о которую он трется, и не изнашивается быстро.

Графитовые щетки изготовляются из чистого природного графита. Графит измельчается в мелкий порошок, который затем прессуется под очень большим давлением в бруски нужных размеров. Уголь и графит являются отличными проводниками электрического тока.

Угольные щетки двигателя постоянного тока

Электрографитовые щетки — это, по существу, угольные щетки, но подвергнутые воздействию высокой температуры в электрической печи и превращенные таким образом в графитовые. Эти щетки обладают свойством очень хорошо пришлифовываться.

Металло-угольные щетки изготовляются из угля и меди, измельченной в мелкий порошок, иногда с прибавкой другого измельченного металла (чаще всего олова).

Изготовление этих щеток ведется таким образом, чтобы щетка обладала возможно лучшей проводимостью в осевом направлении, в котором проходит рабочий ток машины, и плохой проводимостью (большое электрическое сопротивление) в поперечном направлении, в котором происходит при коммутации замыкание добавочных токов коммутируемых секций.

Щетки для электрических машин стандартизованы.

Эта технология передачи энергии, которой уже более ста лет, широко используется и сегодня. Угольные щетки до сих пор можно найти во многих электродвигателях. Начиная с небольших двигателей в игрушках, электрических кухонных приборов, электрических стеклоподъемников, бритв, стиральных машин, фенов, пылесосов или электроинструментов (электродрелей, угловых шлифовальных машин, кусторезов, циркулярных пил и т. д.),

Щетки также применяются в бильших машинах постоянного тока в электровозах, подводных лодках и генераторах электростанций, а также в ветряных турбинах. Соответственно разнообразны геометрические и электрические характеристики угольных щеток.

Щеткодержатель со щеткой в электродвигателе бытового пылесоса

Число зон (образующих цилиндрической поверхности коллектора) установки щеток на коллекторе обычно равно числу полюсов машины. Число щеток в каждой зоне зависит от величины тока и допустимой для данного сорта щетки плотности тока под щеткой, однако меньше двух щеток на зону можно встретить только в очень маленьких машинах, так как при одной щетке на зону трудно обеспечить надежность щеточного контакта.

Щетки, стоящие в одной и той же зоне, называются зонным комплектом щеток, а совокупность всех зонных комплектов данной машины — полным комплектом щеток.

Торцевую поверхность щеток со стороны, противоположной соприкосновению с коллектором, обычно обмедняют, иногда лудят. При небольшом токе отводимом щеткой, достаточно удовлетворительные условия отвода тока обеспечиваются поверхностью соприкосновения щетки со щеткодержателем и нажимной пружиной.

Щетки больших размеров снабжают плотно надетыми на них колпачками из листовой меди и прикрепленными к ним поводками из медных гибких канатиков соответствующих сечений, с наконечниками для присоединения под винтик к щеткодержателю или к детали, предназначенной для отвода от щетки тока. Колпачок щетки с канатиком называют арматурой щетки.

Щетки удерживаются в фиксированном относительно коллектора положении щеткодержателями, конструкции которых весьма разнообразны.

Если электрическая машина предназначается для обоих направлений вращения, то применяют радиальные щеткодержатели, обеспечивающие расположение щетки по радиусу коллектора. В машинах с одним определенным направлением вращения часто применяют щеткодержатели с некоторым наклоном щетки к радиусу.

Щеткодержатель для машин постоянного тока малой и средней мощности

Щеткодержатель для машин постоянного тока малой и средней мощности

Щеткодержатель крупной машины постоянного тока

Щеткодержатель крупной машины постоянного тока

Щеткодержатели одной зоны укрепляют на щеточных пальцах круглого или квадратного сечения либо на щеточных бракетах. Щеточные пальцы или бракеты разных зон установки щеток укрепляют на щеточных суппортах или щеточных траверсах, от которых они должны быть надежно изолированы. В свою очередь, щеточные траверсы крепят либо к подшипникам, либо к подшипниковым щитам, либо к ярму или, наконец, устанавливают независимо на фундаментную плиту машины (при больших длинах коллектора).

Важными условиями, которым должны удовлетворять щеточный суппорт или щеточная траверса, являются, безусловное отсутствие вибраций, доступность осмотра щеток и их регулировки, легкий съем отдельных щеткодержателей для ремонта и возможность одновременного поворота всей системы щеток для точной установки их в надлежащем для коммутации положении при сохранении полной концентричности щеткодержателей и коллектора.

Щетки, щеткодержатели, пальцы (или бракеты) и траверса (или суппорт) составляют так называемый токособирательный аппарат машины постоянного тока. В него входят также соединения между собой зонных комплектов щеток одной и той же полярности.

Для отвода тока щеточные пальцы и бракеты одноименных зон (т. е. одной и той же полярности, положительные или отрицательные) соединяют электрически друг с другом изолированным проводом соответствующего сечения.

Таким образом, получают два собирательных полных или неполных кольца, которые затем присоединяют посредством гибких кабелей соответствующего сечения к внешним зажимам машины. Последние крепят на особой доске зажимов либо к ярму, либо к фундаментной плите машины. Прикрытая защитной крышкой доска зажимов образует коробку зажимов.

Правильное применение и выбор щеток вместе с надлежащим техническим обслуживанием приводят к повышению производительности машины и снижению затрат на время простоя.

Поскольку трение, вызванное вращением устройства, вызывает абразивный износ, щетки необходимо периодически заменять. По этой причине были изобретены бесщеточные электродвигатели.

Источник

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Схематическое изображение простейшего ДПТ

  1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
  2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
  3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
  4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Читайте также:  Ограничитель пускового тока зубр 1

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • соединение параллельно обмоткам якоря;
  • варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
  • смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Схемы подключения обмоток статора

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Ротор с тремя обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Схема электромотора с многообмоточным якорем

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Принцип работы ДПТ

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

  • бытовые и промышленные электроинструменты;
  • автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
  • трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

  • Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
  • Легко регулируемая частота вращения;
  • хорошие пусковые характеристики;
  • компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

  • ограниченный ресурс коллектора и щёток;
  • дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
  • ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
  • дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Видео в дополнение к написанному



Источник