Co to jest silnik komutatora prądu stałego i jak działa

Silniki kolektorów są dość powszechne w życiu codziennym i podczas produkcji. Służą do napędzania różnych mechanizmów, elektronarzędzi, w samochodach. Część popularności wynika z prostej regulacji prędkości wirnika, ale istnieją pewne ograniczenia w ich stosowaniu i, oczywiście, wady. Zobaczmy, czym jest silnik z kolektorem prądu stałego (DCMT), jakie są rodzaje tego rodzaju silników elektrycznych i gdzie są one stosowane.

Definicja i urządzenie

W wiodących katalogach i encyklopediach taka definicja:

„Kolektor to silnik elektryczny, w którym czujnik położenia wału i przełącznik uzwojenia są tym samym urządzeniem - kolektorem. „Takie silniki mogą działać albo na prąd stały, albo na prąd stały i przemienny.”

Silnik kolektora, jak każdy inny, składa się z wirnik i stojan. W tym przypadku wirnik jest kotwicą. Przypomnijmy, że kotwica jest częścią maszyny elektrycznej, która zużywa główny prąd i w której indukowana jest siła elektromotoryczna.

Dlaczego jest potrzebny i jak ustawiony jest kolektor? Kolektor znajduje się na wale (wirniku) i jest zestawem wzdłużnie umieszczonych płyt odizolowanych od wału i od siebie. Nazywa się je blaszkami. Zagięcia sekcji uzwojenia twornika są połączone z lamelami (można zobaczyć urządzenie do nawijania kotwicy KDPT w grupie rysunków poniżej), a raczej koniec poprzedniego i początek następnej sekcji uzwojenia są połączone z każdym z nich.

Prąd jest dostarczany do uzwojeń przez szczotki. Szczotki tworzą kontakt ślizgowy i podczas obrotu wału stykają się z jedną lub drugą płytką. Tak więc uzwojenia zwory są przełączane, w tym celu potrzebny jest kolektor.

Zespół szczotki składa się z ramienia z uchwytami szczotek, a szczotki grafitowe lub metalograficzne są montowane bezpośrednio w nich. Aby zapewnić dobry kontakt, szczotki dociskane są do kolektora za pomocą sprężyn.

Na stojanie zamontowane są magnesy trwałe lub elektromagnesy (uzwojenie pola), które wytwarzają pole magnetyczne stojana. W literaturze dotyczącej maszyn elektrycznych częściej używa się terminów „układ magnetyczny” lub „induktor” zamiast słowa „stojan”. Poniższy rysunek pokazuje konstrukcję DPT w różnych rzutach. Zobaczmy teraz, jak działa silnik komutatora prądu stałego!

Zasada działania

Gdy prąd przepływa przez uzwojenie twornika, pojawia się pole magnetyczne, którego kierunek można określić za pomocą zasady gimlet. Stałe pole magnetyczne stojana oddziałuje z polem twornika i zaczyna się obracać z powodu tego, że bieguny o tej samej nazwie odpychają się, przyciągane do innych. Co doskonale ilustruje poniższy rysunek.

Kiedy szczotki przełączają się na inne lamele, prąd zaczyna płynąć w przeciwnym kierunku (jeśli weźmiemy powyższy przykład), bieguny magnetyczne zmieniają się i proces się powtarza.

W nowoczesnych maszynach kolektorowych nie stosuje się konstrukcji dwubiegunowej z powodu nierównomiernego obrotu, w momencie przełączania kierunku prądu siły działające na zworę będą minimalne. A jeśli włączysz silnik, którego wał zatrzymał się w tej „przejściowej” pozycji - może on wcale nie zacząć się obracać. Dlatego kolektor nowoczesnego silnika prądu stałego ma znacznie więcej biegunów i odcinków uzwojeń ułożonych w rowkach wyłożonego rdzenia, osiągając w ten sposób optymalną płynność ruchu i momentu obrotowego na wale.

Zasada działania silnika kolektora w prostym języku dla manekinów została ujawniona w następnym filmie, zdecydowanie zalecamy jego przeczytanie.

Schematy połączeń typów i zwojów KDPT

Zgodnie z metodą wzbudzenia silniki kolektorów prądu stałego są dwojakiego rodzaju:

1. Z magnesami trwałymi (silniki małej mocy o mocy dziesiątek i setek watów).
2. Z elektromagnesami (mocne maszyny, na przykład na mechanizmach podnoszących i obrabiarkach).

Rozróżnij te typy KDTT metodą łączenia uzwojeń:

• Pobudzenie sekwencyjne (w starej rosyjskiej literaturze i od starych elektryków można usłyszeć nazwę „Serial”, z angielskiego. Serial). Tutaj uzwojenie pola jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika. Wysoki moment rozruchowy jest zaletą takiego schematu, a jego wadą jest spadek prędkości obrotowej wraz ze wzrostem obciążenia na wale (miękka charakterystyka mechaniczna) oraz fakt, że silnik porusza się (niekontrolowany wzrost prędkości, a następnie uszkodzenie łożysk oporowych i zwory) podczas pracy na biegu jałowym lub przy obciążeniu wału mniejszym niż 20-30% wartości nominalnej.
• Równoległy (zwany także „bocznikiem”). Zgodnie z tym uzwojenie pola jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika. Przy niskich prędkościach na wale moment obrotowy jest wysoki i stabilny w stosunkowo szerokim zakresie obrotów, a wraz ze wzrostem obrotów maleje. Zaletą są stabilne obroty w szerokim zakresie obciążeń na wale (ograniczone jego mocą), a wadą jest to, że jeśli obwód zostanie przerwany w obwodzie wzbudzenia, może pójść nie tak.
• Zależny. Uzwojenia i kotwice polowe są zasilane z różnych źródeł. To rozwiązanie pozwala dokładniej kontrolować prędkość wału. Funkcje pracy są podobne do DPT z wzbudzeniem równoległym.
• Mieszane Część uzwojenia pola jest połączona równolegle, a część szeregowo ze zworą. Połącz zalety typów szeregowych i równoległych.

Symbol graficzny na schemacie, który widzisz poniżej.

W literaturze zagranicznej i współczesnej rosyjskiej, a także na schematach, można znaleźć inną reprezentację UGO dla KDT, jak pokazano na poprzedniej figurze w postaci koła z dwoma kwadratami, gdzie koło reprezentuje kotwicę, a dwa kwadraty przedstawiają pędzle.

Schemat połączeń i odwrotna strona

Schemat połączeń uzwojenia stojana i wirnika jest ustalany podczas produkcji i, w zależności od tego, gdzie używany jest konkretny silnik, musisz wybrać odpowiednie rozwiązanie. W niektórych trybach pracy (na przykład tryb hamowania) można zmienić obwody przełączające uzwojenie lub wprowadzić dodatkowe elementy.

Obejmują one silniki kolektorowe prądu stałego o niskiej mocy wykorzystujące: klucze półprzewodnikowe (tranzystory), przełączniki lub przyciski przełączające, specjalne mikroukłady sterowników lub za pomocą przekaźników małej mocy. Duże, potężne maszyny są podłączone do sieci prądu stałego przez bipolarny styczniki.

Poniżej widać obwód zwrotny do podłączenia silnika prądu stałego do sieci 220 V. W praktyce obwód będzie podobny w produkcji, ale nie będzie w nim mostka diodowego, ponieważ wszystkie linie do podłączenia takich silników są ułożone z podstacji trakcyjnych, w których prąd przemienny jest prostowany.

Odwrócenie odbywa się poprzez zmianę polaryzacji uzwojenia pola lub zwory. Nie można zmienić biegunowości tu i tam, ponieważ kierunek obrotu wału się nie zmieni, jak ma to miejsce w przypadku uniwersalnych silników kolektorowych podczas pracy na prądzie przemiennym.

Aby płynnie uruchomić silnik, urządzenie regulujące, na przykład reostat, jest wprowadzane do obwodu zasilania uzwojenia twornika lub uzwojenia twornika i uzwojenia wzbudzenia (w zależności od obwodu ich połączenia), ale prędkość wału jest również kontrolowana w ten sam sposób, ale zamiast reostatu często używają zestawu stałych rezystorów połączonych za pomocą zestawu styczników.

We współczesnych aplikacjach prędkość obrotową zmienia się za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM) i klucza półprzewodnikowego, co dokładnie dzieje się w elektronarzędziach bezprzewodowych (na przykład śrubokręcie). Wydajność tej metody jest znacznie wyższa.

Zakres zastosowania

Silniki szczotkowe DC są stosowane wszędzie, zarówno w życiu codziennym, jak i w urządzeniach i mechanizmach przemysłowych, rozważmy krótko ich zakres:

• W samochodach DCB kolektorów 12 V i 24 V stosuje się do napędzania piór wycieraczek (wycieraczek przedniej szyby), w podnośnikach szyb, w celu uruchomienia silnika (rozrusznik to szeregowy lub mieszany wzbudzany silnik kolektora prądu stałego) i innych napędów.
• W mechanizmach podnoszących (dźwigi, windy itp.) Stosuje się KDPT, które działają w sieci prądu stałego o napięciu 220 V lub dowolnym innym dostępnym napięciu.
• W zabawkach dla dzieci i modelach o niskiej mocy sterowanych radiowo stosuje się KDTT z trójbiegunowym wirnikiem i magnesami trwałymi na stojanie.
• W ręcznym elektronarzędzie akumulatorowym - różnorodne wiertarki, szlifierki, wkrętarki elektryczne itp.

Należy pamiętać, że w nowoczesnym drogim narzędziu elektrycznym zainstalowane są silniki bezszczotkowe, ale silniki bezszczotkowe.

Zalety i wady

Przeanalizujmy zalety i wady silnika kolektora prądu stałego. Zalety:

1. Stosunek wielkości do mocy (wskaźniki masy i wielkości).
2. Prostota regulacji zwojów i wdrożenie łagodnego rozruchu.
3. Moment początkowy.

Wady KDPT są następujące:

1. Zużyte pędzle. Silniki o dużym obciążeniu, które są regularnie używane, wymagają regularnej kontroli, wymiany szczotki i konserwacji zespołu kolektora.
2. Kolektor zużywa się z powodu tarcia szczotek.
3. Możliwe jest iskrzenie pędzlem, co ogranicza użycie w niebezpiecznych miejscach (następnie należy zastosować wykonanie przeciwwybuchowe KDTT).
4. Ze względu na ciągłe przełączanie uzwojeń ten typ silnika prądu stałego wprowadza zakłócenia i zniekształcenia do obwodu zasilania lub sieci, co prowadzi do wadliwego działania i problemów w działaniu innych elementów obwodu (szczególnie istotnych w obwodach elektronicznych).
5. W przypadku magnesów trwałych siły magnetyczne z czasem słabną (rozmagnesowują), a wydajność silnika spada.

Zbadaliśmy więc, czym jest silnik kolektora prądu stałego, jak jest on skonstruowany i jaka jest jego zasada działania. Jeśli masz pytania, zadaj je w komentarzach pod artykułem!

Powiązane materiały:

• Co to jest anoda i katoda
• Jak działa starter magnetyczny
• Jak obniżyć napięcie
• Co to jest silnik indukcyjny