Коллекторные двигатели переменного тока

Для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, используют моторы. Коллекторный двигатель позволяет плавно менять скорость. Существует несколько разновидностей этих устройств. Наибольший интерес для пользователей представляет оборудование, пригодное для работы в стандартной сети. Внутреннее устройство коллекторного двигателя переменного тока простое, оно во многом схоже с моторами постоянного тока, но обходится без магнитов и лучше приспособлено для работы со стандартной сетью 220 В и 50 Гц. Этот двигатель можно часто встретить в быту, например, инструменты вроде дрели и различные приборы — от вентилятора до стиральной машины.

Виды двигателей

Электромоторы могут использовать постоянный или переменный ток. В зависимости от требуемой мощности и условий эксплуатации электродвигатель разрабатывают для однофазной или трехфазной сети. Некоторые модели можно подключать к разным источникам, но для этого может понадобиться особая схема.

Выделяют два основных типа двигателей:

• Коллекторные. Название указывает на наличие в конструкции коллектора. Этот элемент служит для передачи электроэнергии. Щеточно-коллекторный узел помогает переключать ток в обмотках. Подвидами коллекторных двигателей являются работающие только на постоянном токе и универсальные моторы.
• Бесколлекторные. Также разделены на подвиды: бывают синхронными и асинхронными. При этом полезно различать бесколлекторные и бесщеточные двигатели, поскольку существует конструкция, состоящая из щеток и кольца.
• Сервоприводы. Выделяют в отдельный класс. Они используются в системах, где важно точно определять положение и скорость ротора.

Достоинства и недостатки коллекторных двигателей

Главным преимуществом является возможность включения в стандартную сеть 220В напрямую. Несмотря на то, что КПД при применении постоянного тока больше, пользоваться зачастую удобнее именно переменным. В дома и на производства поставляют именно его. Коллекторные двигатели переменного тока обладают набором достоинств, которые и приводят к их популярности:

• плавная регулировка скорости;
• простота управления. Изменять обороты можно за счет изменения напряжения на входе;
• нет сложных частей и электронных компонентов, поэтому и стоимость невысокая;
• компактные и легкие;
• небольшой пусковой ток.

Двигатель прост и достаточно надежен, но недостатки у такой конструкции все же есть:

• коллектор нуждается в обслуживании;
• щетки изнашиваются, могут искрить;
• образуется много шума при работе.

Коллекторный мотор в щадящих условиях может проработать достаточно долго. Бытовые приборы демонстрируют высокую надежность, иногда они функционируют без обслуживания по десять и более лет. Но все же конструкция обладает особенностями, которые не стоит игнорировать. Если пользователь заметил что-то странное с мотором, например, упала мощность, то можно заменить щетки или проверить предохранители. Перед этим полезно убедиться, что проблемы не связаны с падением напряжения в сети или выходом из строя аккумулятора.

Еще одним недостатком для бытового прибора является шум. Коллекторные моторы не могут похвастаться тихой работой. Дрели, пылесосы и стиральные машинки производят много шума, особенно при работе на высоких оборотах.

Особенности устройства коллекторного электродвигателя

Коллекторный электрический двигатель переменного тока устроен достаточно просто. Его основные элементы:

• Ротор или якорь. Подвижная часть устройства, на которой расположены металлические пластины с обмотками. Якорь должен быть сбалансирован, иначе биения будут препятствовать работе мотора.

• Статор. Неподвижная часть двигателя. На ней также размещают обмотки, а если двигатель работает на постоянном токе, то используют магниты.
• Обмотки. Важная часть мотора, поскольку электромагнитное поле создается за счет протекания токов по обмоткам. Способов намотать проводник существует несколько. Можно встретить стержневые и шаблонные обмотки. Тип зависит от мощности двигателя и расположения проводника.
• Щетки. Графитовые или металлические щетки служат для передачи тока на вращающуюся часть механизма. Эта особенность конструкции создает некоторые ограничения, поскольку щетки могут искрить на большой скорости, что нежелательно.
• Коллектор. Представляет собой цилиндр, собранный из медных пластин, которые изолированы друг от друга. К каждой из них подключены электроды. Эта часть контактирует со щетками.
• Подшипники. Плавное скольжение ротора помогут обеспечить эти детали. Применяют как шарикоподшипники, так и подшипники скольжения.

Подобную конструкцию можно встретить и у некоторых двигателей постоянного тока. Поэтому в учебниках часто не выделяют этот тип двигателя в отдельную категорию.

Принцип работы коллекторного двигателя

Понять за счет чего вращается ротор можно, если рассмотреть магнитное поле. Движение проводника в нем будет сопровождаться появлением ЭДС. Соответственно проводник будет стремиться развернуться в магнитном поле таким образом, чтобы снизить воздействие на себя. На этом основан принцип работы коллекторного двигателя. На статоре и роторе в случае универсального мотора расположены обмотки. Они и будут создавать электромагнитные поля, взаимодействие которых приведет детали в движение.

Рассчитать вращающий момент можно при помощи формулы:

Эта величина измеряется в Ньютонах, умноженных на метр. Следует учесть, что ток (I) и магнитный поток (Φ) изменяются по закону синуса. Кроме того, для последнего параметра придется учесть сдвиг фаз.

КПД при работе на переменном токе несколько ниже, чем при подключении к источнику постоянного тока с тем же напряжением. Уменьшение мощности связано с перемагничиванием статора и присутствующей индуктивностью.

Режимы работы мотора

У мотора есть прямой ход, который подойдет для работы под нагрузкой, а также можно заставить ротор вращаться в противоположную сторону. Такое действие получило название «реверс». Этот режим не всегда предусмотрен и нужен в технике. Например, у блендера и пылесоса реверс отсутствует. Зато он просто необходим для дрелей и шуруповертов. Невозможно завинтить и вывинтить крепеж, не используя реверс.

Схемы подключения двигателя

Подключить коллекторный двигатель к однофазной сети несложно. Но у бытовых приборов бывает затруднительно добраться до двигателя. Поэтому лучше запомнить, как подключены элементы, если требуется самостоятельно что-то поменять в схеме.

Существует типовая схема подключения коллекторного двигателя, которую можно взять за основу. Она предполагает последовательное соединение главных элементов — обмоток. Также известны схемы параллельного, независимого и смешанного подключения. При параллельном максимальное усилие ниже, поэтому его применяют реже. Остальные варианты тоже непопулярны. Типовая схема последовательного подключения коллекторного мотора выглядит так:

Чтобы была возможность управлять двигателем, его можно подключить к регулятору. Простой вариант — это тиристорная схема. Подойдут разные варианты понижения напряжения. Можно использовать реостат, симистор и пр. Если используется постоянный ток и установлена какая-то микросхема, то применяют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

Типовая схема обладает существенным недостатком: она не позволяет двигателю работать в режиме реверса. Для реверсивного вращения требуется сменить направление токов на обмотках одного из элементов.

Где применяют универсальные электродвигатели

В бытовой технике и электроинструментах коллекторный мотор встречается часто. Он позволяет получать до 10 000 оборотов в минуту, при этом можно отрегулировать скорость, использовать реверс при необходимости. Универсальный двигатель устанавливают в дрели, шуроповерты, рубанки, лобзики и подобные электроинструменты. Среди бытовой техники такой мотор используется в фенах, швейных и стиральных машинах, блендерах, мясорубках.

Видео по теме