Электрические двигатели – неотъемлемая часть современной техники. Они используются повсеместно: от бытовых приборов до мощных промышленных установок. Одним из наиболее распространенных типов электродвигателей является коллекторный двигатель постоянного тока. Несмотря на простоту конструкции, он остается незаменимым в устройствах, где требуется плавное управление скоростью и высокий пусковой момент. Расскажем, что представляет собой коллекторный электромотор, как устроен, чем отличается от асинхронного двигателя.
Что такое
Коллекторный двигатель постоянного тока (ДПТ) – это электрический привод, преобразующий энергию постоянного тока в механическое вращение. Его главная особенность — наличие коллектора (медного барабана с изолированными секциями) и щеток (подвижных контактов), которые обеспечивают передачу тока на вращающийся ротор.
В отличие от асинхронного двигателя, работающего на переменном токе, ДПТ не требует преобразователей частоты для регулировки скорости, что удешевляет систему управления. Коллекторно-щеточный узел отвечает за переключение обмоток и выступает в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора). Каждая пластина подключена к выводу обмотки ротора.
Каким бывает
Есть две основные разновидности коллекторных электромоторов:
- с постоянными магнитами;
- с обмотками возбуждения.
В устройствах с постоянными магнитами эти самые магниты используются для создания основного магнитного поля в статоре (неподвижной части). В отличие от двигателей с обмоткой возбуждения, где магнитное поле создается специальными обмотками, расположенными на якоре, такие агрегаты проще конструктивно и имеют меньший вес благодаря использованию постоянных магнитов.
При этом моторы с обмотками возбуждения делятся на четыре вида:
- Параллельного возбуждения. Обмотка возбуждения подключается параллельно роторной цепи. Это означает, что ток, протекающий через обмотку возбуждения, не зависит от тока ротора. Благодаря этому, магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, остается постоянным независимо от нагрузки на двигатель. Такие агрегаты экономичны, компактны, могут обеспечить устойчивость и непрерывность рабочего цикла, а также возможность менять скорость и крутящий момент.
- Последовательного возбуждения. В отличие от первого варианты, обмотки здесь подключается последовательно с ротором. Получается, что ток, протекающий через обмотку, равен току якоря. При уменьшении нагрузки снижается магнитный поток, а при увеличении – возрастает до насыщения. Если нагрузка падает ниже четверти от номинала, двигатель может выйти из-под контроля. Это ограничивает применение, особенно в системах с ременной передачей. Преимущества такие же, как и у первого варианта, плюс еще простота и динамичность управление.
- Независимого возбуждения. Обмотка и якорь питаются от отдельного источника тока. Такие схемы применяется, как правило, в электродвигателях высокой мощности, обеспечивают плавный пуск, продлевают ресурс машины.
- Смешанное возбуждение. В конструкции таких агрегатов есть две обмотки возбуждения: первая подключается с якорем последовательно, вторая – параллельно. Включаются они либо согласно, либо встречно. Применяются они в приложениях, где нужная бесперебойная работа, но сохранность двигателя отходит на второй план. При ослаблении нагрузки моторы не разгоняются, но одновременно пригодны для больших нагрузок.
Машины с постоянными магнитами просты, экономичны, компактны, мощны и надежны, обеспечивают высокий крутящий момент на малых оборотах, что удобно для точного управления скоростью и усилием. Двигатели с обмотками возбуждения могут генерировать более сильное поле и лучше управлять двигателем, их конструкция сложнее, плюс они потребляют больше энергии.
Также есть моторы, работающие от источника постоянного тока, а также универсальные модели, работа которых возможна как от постоянного, так и от переменного тока.
Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока
Основные компоненты двигателя:
- статор – неподвижная часть, создающая магнитное поле (в двигателях с обмоткой возбуждения содержит катушки, в моделях с магнитами — постоянные магниты);
- ротор – вращающаяся часть с обмотками, по которым проходит ток;
- коллектор – цилиндр из медных пластин, изолированных друг от друга;
- щетки – графитовые или металлографитовые контакты, прижимающиеся к коллектору;
- корпус – несущая конструкция, в которой находятся все внутренние компоненты агрегата.
Принцип работы устройства довольно прост. При подаче напряжения ток через щетки и коллектор поступает в обмотки ротора. Ток в обмотках создает магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора. Возникает сила, заставляющая ротор вращаться. Коллектор переключает направление тока в обмотках, поддерживая непрерывное вращение.
Варианты конструкции электродвигателя
Конструкция устройств зависит от условий эксплуатации. Есть открытые модели, не имеющие особой защиты от пыли и влаги, закрытые (герметичные), взрывозащищенные. Каждый компонент агрегатов также имеет различные исполнения.
Какие есть обмотки
Обмотки отличаются друг от друга конструкционно. Есть классические варианты с сердечником, полые без сердечника и печатные. Разные конструкции имеют различные характеристики: момент инерции, индуктивность, потери. Благодаря вариациям толщины провода и схемы намотки каждая из разновидностей обмоток рассчитана на работу при конкретных напряжениях и токах. Выбор изоляции определяет температурную стойкость обмотки.
Из чего выполнены магниты
Магниты для коллекторных двигателей – ключевой элемент их работы. За годы развития электротехники использовалось множество материалов для изготовления этих магнитов. Основные разновидности:
- Ферриты. Относительно недорогие, стабильны и устойчивые к демагнетизации, но обладают меньшей мощностью по сравнению с другими материалами.
- AlNiCo. Предлагают хорошую стабильность, температурную стойкость, электропроводность, но уступают по мощности более современным вариантам.
- SmCo. Отличаются высокой температурной стойкостью, что делает их пригодными для работы в условиях повышенных температур. Часто используются в двигателях, где важен стабильный и надежный режим работы при высоких температурах.
- NdFeB. Наиболее мощные магниты с высокой коэрцитивной силой и отличной остаточной магнитной индукцией, обеспечивающие высокую плотность энергии. Именно такие варианты чаще всего применяются в современных высокопроизводительных, малогабаритных двигателях.
Разница в материалах обусловлена их разной мощностью (удельной энергией) и температурной стойкостью. Выбор материала зависит от конкретных требований к двигателю: мощность, компактность, условия эксплуатации.
Разновидности щеток
Щеток для коллекторных двигателей существуют различные типы, определяемые, прежде всего, материалом изготовления. Сегодня наиболее распространены две разновидности:
- графитовые;
- металлические.
Графитовые изготавливаются из медно-графитового сплава, хорошо работают при больших токах и выдерживают частые пуски. Являются источником значительных электромагнитных помех.
Металлические щетки изготавливаются из благородных металлов, требуют коллектор, также изготовленный из благородных металлов. Предназначены для работы при небольших токах и малых изменениях скорости вращения. Генерация электромагнитных помех значительно ниже, чем у предыдущей разновидности.
Типы роликовых элементов
В коллекторных двигателях постоянного тока используются два основных типа подшипников:
- Шарикоподшипники. Обеспечивают низкое трение и высокую долговечность. Для уменьшения осевого биения вала часто применяется предварительное поджатие шарикоподшипников, что позволяет повысить точность работы двигателя и продлить срок его службы.
- Подшипники скольжения. Обычно изготавливаются из мягких материалов, таких как бронза или тефлон. Обеспечивают плавное движение вала, но требуют регулярного обслуживания и смазки. Подшипники скольжения менее подвержены износу, чем шарикоподшипники, но требуют более частого обслуживания.
Каждый из этих типов подшипников имеет свои преимущества и недостатки, и выбор зависит от конкретных требований к двигателю и условиям его эксплуатации.
Плюсы и минусы коллекторных электромоторов
Среди основных преимуществ:
- Простое управление. Для работы коллекторного двигателя достаточно подключить его к источнику постоянного напряжения. Математическая модель такого мотора проста, что позволяет легко создавать сложные системы управления. Например, управлять асинхронным двигателем сложнее – для этого требуется больше вычислений и ресурсов.
- Нет электроники. В этих двигателях нет электронных компонентов, таких как датчики Холла, которые есть в бесколлекторных аналогах. Это делает их устойчивыми к экстремальным условиям, например, к высокой радиации, где электроника может выйти из строя.
Недостатки у моделей с коллекторно-щеточным узлом тоже есть. Главный из них – низкая надёжность. Щётки и коллектор – это подвижные части, которые постоянно трутся друг о друга. Со временем они изнашиваются, особенно при высокой нагрузке. Бесколлекторные двигатели в этом плане долговечнее, так в их конструкции такого нет.
Второй минус – ограничение скорости. Чем быстрее вращается двигатель, тем сильнее искрят щётки на коллекторе. Это приводит к износу деталей. Максимальная скорость зависит от материала щёток: графитовые выдерживают меньше, чем металлические. Поэтому такие моторы не подходят для задач, где нужна очень высокая скорость.
Коллекторные двигатели подходят для простых задач с умеренными нагрузками, где важна простота и низкая цена. Но если нужна высокая скорость и точность переключения, лучше выбрать бесколлекторный вариант.
Где и как применяются
Коллекторные электродвигатели применяются в различных приложениях:
- бытовая техника – стиральные машины, пылесосы, кухонные комбайны;
- электроинструменты – дрели, шуруповерты, лобзики;
- детские игрушки – радиоуправляемые машинки, электропоезда и прочее;
- автомобили – стеклоподъёмники, дворники, вентиляторы;
- офисная техника – принтеры, сканеры, вентиляторы охлаждения.
Также они находят применение в аэрокосмической отрасли и промышленном производстве, где используется в составе конвейерных систем, механизмов подъема и перемещения грузов.
