§ 29.10. Универсальные коллекторные двигатели

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как при переходе от поло­жительного полупериода переменного напряжения к отрицатель­ному направление электромагнитного момента сохраняется неиз­менным. Объясняется это тем, что при переходе к отрицательному полупериоду почти одновременно с изменением направления тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбужде­ния, т. е. меняется полярность полюсов.

Рис. 29.16. К принципу работы универсального коллекторно­го двигателя

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. Применение параллельного возбуждения (рис. 29.14, ) в данном случае ограничивается значительной индуктивностью параллельной обмотки возбуждения, имеющей большое число витков. Это создает значительный фазо­вый сдвиг между током якоря и током возбужденияна угол (рис. 29.14,

б). Среднее значение электромагнитного момента в этом случае определяется выражением, аналогичным выражению (25.24), но учитывающим угол сдвига между током якоря и маг­нитным потоком:

, (29.34)

где — максимальное значение магнитного потока; — угол сдвига фаз между током якоря и током возбуждения;

— уголсдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обу­словленный наличием магнитных потерь в машине [,а следовательно, ].

В двигателе последовательного возбуждения (рис. 29.14, в) ток якоря и ток возбуждения совпадают по фазе:

= 0 (рис. 29.14, г). Поэтому среднее значение электромагнитного вращаю­щего момента в двигателе последовательного возбуждения больше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

. (29.35)

Электромагнитный момент двигателя последовательного воз­буждения при работе от сети переменного тока имеет постоянную составляющую

(рис. 29.14, д) и переменную составляющую , изменяющуюся с частотой, равной удвоенной частоте сети (рис. 29.14, е). Результирующий момент этого двигателя является пульсирующим M_~ (рис. 29.14,ж): M_~ = .Небольшие участки графика с отрицательным (тормозя­щим) моментом обусловлены фазовым сдвигом между векторамимагнитного потока и током(рис. 29.14,г). Пульсации мо­мента M_~ практически не нарушают работу двигателя, включенно­го в сеть переменного тока, так как сглаживаются за счет момента инерции вращающегося якоря.

По своей конструкции универсальные коллекторные двигате­ли отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вы­зывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

Основной недостаток однофазных коллекторных двигате­лей — тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммути­рующих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего поля (см. § 27.3) наводится трансформаторная ЭДС , действующее значение которой

. (29.36)

Эта ЭДС наводится переменным магнитным потоком возбуж­дения, сцепленным с коммутирующими секциями. Для уменьше­ния трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток , ачтобы мощность двигателя при этом осталась прежней, следует увеличить число полюсов в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций

также способствует ограничению , но при этом увели­чивается количество пластин в коллекторе, а следовательно, воз­растают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмот­кой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты враще­ния. При других режимах работы двигателя условия коммутации остаются тяжелыми. Регулировка частоты вращения и реверсиро­вание однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной на­грузке, как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответв­лениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети пере­менного тока — частично (рис. 29.15, ).

Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети пере­менного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индук­тивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения.

Рис. 29.17. Схема соединений и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номи­нальной. На рис. 29.15, б приведены рабочие характеристики уни­версального коллекторного двигателя типа УМТ-22 (55 Вт, 200 об/мин, 110/127 В). Потребляемый двигателем ток при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электро­двигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток по­мимо активной имеет еще и реактивную составляющую. Коэффи­циент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повы­шенными магнитными потерями. Области применения универ­сальных коллекторных двигателей достаточно широки: их приме­няют в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

Контрольные вопросы

1. Какие способы ограничения пускового тока применяются в двигателях постоянного тока?

2. С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения сопротивле­ние реостата в цепи возбуждения устанавливают минимальным?

3. Сравните двигатели параллельного и последовательного возбуждения по их регулировочным свойствам.

4. Какова разница в конструкции коллекторных двигателей постоянного и пе­ременного тока?

§ 29.10. Универсальные коллекторные двигатели

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как при переходе от поло­жительного полупериода переменного напряжения к отрицатель­ному направление электромагнитного момента сохраняется неиз­менным. Объясняется это тем, что при переходе к отрицательному полупериоду почти одновременно с изменением направления тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбужде­ния, т. е. меняется полярность полюсов.

Рис. 29.16. К принципу работы универсального коллекторно­го двигателя

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. Применение параллельного возбуждения (рис. 29.14, ) в данном случае ограничивается значительной индуктивностью параллельной обмотки возбуждения, имеющей большое число витков. Это создает значительный фазо­вый сдвиг между током якоря и током возбужденияна угол (рис. 29.14, б). Среднее значение электромагнитного момента в этом случае определяется выражением, аналогичным выражению (25.24), но учитывающим угол сдвига между током якоря и маг­нитным потоком:

, (29.34)

где — максимальное значение магнитного потока; — угол сдвига фаз между током якоря и током возбуждения; — уголсдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обу­словленный наличием магнитных потерь в машине [,а следовательно, ].

В двигателе последовательного возбуждения (рис. 29.14, в) ток якоря и ток возбуждения совпадают по фазе: = 0 (рис. 29.14, г). Поэтому среднее значение электромагнитного вращаю­щего момента в двигателе последовательного возбуждения больше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

. (29.35)

Электромагнитный момент двигателя последовательного воз­буждения при работе от сети переменного тока имеет постоянную составляющую (рис. 29.14, д) и переменную составляющую , изменяющуюся с частотой, равной удвоенной частоте сети (рис. 29.14, е). Результирующий момент этого двигателя является пульсирующим M_~ (рис. 29.14,ж): M_~ =.Небольшие участки графика с отрицательным (тормозя­щим) моментом обусловлены фазовым сдвигом между векторамимагнитного потока и током(рис. 29.14,г). Пульсации мо­мента M_~ практически не нарушают работу двигателя, включенно­го в сеть переменного тока, так как сглаживаются за счет момента инерции вращающегося якоря.

По своей конструкции универсальные коллекторные двигате­ли отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вы­зывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

Основной недостаток однофазных коллекторных двигате­лей — тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммути­рующих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего поля (см. § 27.3) наводится трансформаторная ЭДС , действующее значение которой

. (29.36)

Эта ЭДС наводится переменным магнитным потоком возбуж­дения, сцепленным с коммутирующими секциями. Для уменьше­ния трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток , ачтобы мощность двигателя при этом осталась прежней, следует увеличить число полюсов в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций также способствует ограничению , но при этом увели­чивается количество пластин в коллекторе, а следовательно, воз­растают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмот­кой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты враще­ния. При других режимах работы двигателя условия коммутации остаются тяжелыми. Регулировка частоты вращения и реверсиро­вание однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной на­грузке, как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответв­лениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети пере­менного тока — частично (рис. 29.15, ).

Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети пере­менного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индук­тивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения.

Рис. 29.17. Схема соединений и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номи­нальной. На рис. 29.15, б приведены рабочие характеристики уни­версального коллекторного двигателя типа УМТ-22 (55 Вт, 200 об/мин, 110/127 В). Потребляемый двигателем ток при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электро­двигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток по­мимо активной имеет еще и реактивную составляющую. Коэффи­циент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повы­шенными магнитными потерями. Области применения универ­сальных коллекторных двигателей достаточно широки: их приме­няют в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

Контрольные вопросы

1. Какие способы ограничения пускового тока применяются в двигателях постоянного тока?

2. С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения сопротивле­ние реостата в цепи возбуждения устанавливают минимальным?

3. Сравните двигатели параллельного и последовательного возбуждения по их регулировочным свойствам.

4. Какова разница в конструкции коллекторных двигателей постоянного и пе­ременного тока?

Коллекторный электродвигатель — это… Что такое Коллекторный электродвигатель?

Колле́кторный электродвигатель — синхронная^[1]электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и пере­к­лю­ча­те­лем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Разновидности

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы ватт) содержат в корпусе:

• трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
• коллекторный узел из двух щеток — медных пластин;
• двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3–9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки ватт), как правило, имеют

• много-полюсный ротор на подшипниках качения;
• коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
• четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, дворников, насосов омывателей.

Двигатели мощностью в сотни ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

• последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение),
  • преимущество: большой максимальный момент,
  • недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.
• параллельно с ротором (параллельное возбуждение)
  • преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,
  • недостаток: меньший максимальный момент
• часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)
  • до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов. Пример — автомобильные стартёры.
• отдельным источником питания (независимое возбуждение)
  • характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться. Применяется редко.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема лежит так, что изящных решений для нее нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель

Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговая машина.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М.П. Костенко, Электрические машины). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, 25 Гц в США. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М.П. Костенко Электрические машины, электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов. (Цитата со слов источника: «У Них асимметрия магнитной системы — доли миллиметра, у нас — доли сантиметра. У Нас щетки машины — крашенный кирпич, у них — процесс высоких технологий (это лекционный материал И.Б. Битюцкий, Липецкий политехнический университет специальность электрические машины)^{[источник?]}).

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (к.м.п.т.) являются машины «пульсирующего тока», полученного путем выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога). Здесь стоит отметить разность в культуре электротехнической промышленности — если Европа выбрала чистую коллекторною машину, то СССР предпочел «гибрид бульдога с носорогом» — машину, где ток не менял полярность, но колебался от нуля до максимума. (И.Б. Битюцкий, Липецкий политехничский университет).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3–5 от номинального (против 5–10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет свое направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В к. м. п. т. реактивная ЭДС. также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Ее амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратиться в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации к.м.п.т. может быть решена следующим образом:

• Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
• Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М.П.Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
• Активная подшлифовка коллектора щетками максимальной твердости (высокий износ) и максимально возможного сопротивления.
• Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС. и паралельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчиненного регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
• Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Достоинства в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
• Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
• Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
• Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

• Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
• Компактность (даже с учётом редуктора).
• Больший пусковой момент.
• Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
• Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем:

• Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
• Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
  • Относительно малая надёжность (срок службы. Тяжелые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щеток, что снижает ресурс.
  • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи
  • Высокий уровень шума
  • Относительно большое число деталей коллектора (и соответственно двигателя)

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Сравнение с асинхронным двигателем

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

• УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
• Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
• Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, т.к. в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
• расщепленный паз
• создающая искусственною фазу емкость
• создающую искусственною фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50–60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Таким образом, в однофазных сетях к.м.п.т. не знает себе конкурентов.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

См. также

Примечания

Коллекторный электродвигатель — это… Что такое Коллекторный электродвигатель?

Колле́кторный электродвигатель — синхронная^[1]электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и пере­к­лю­ча­те­лем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Разновидности

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы ватт) содержат в корпусе:

• трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
• коллекторный узел из двух щеток — медных пластин;
• двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3–9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки ватт), как правило, имеют

• много-полюсный ротор на подшипниках качения;
• коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
• четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, дворников, насосов омывателей.

Двигатели мощностью в сотни ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

• последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение),
  • преимущество: большой максимальный момент,
  • недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.
• параллельно с ротором (параллельное возбуждение)
  • преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,
  • недостаток: меньший максимальный момент
• часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)
  • до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов. Пример — автомобильные стартёры.
• отдельным источником питания (независимое возбуждение)
  • характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться. Применяется редко.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема лежит так, что изящных решений для нее нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель

Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговая машина.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М.П. Костенко, Электрические машины). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, 25 Гц в США. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М.П. Костенко Электрические машины, электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов. (Цитата со слов источника: «У Них асимметрия магнитной системы — доли миллиметра, у нас — доли сантиметра. У Нас щетки машины — крашенный кирпич, у них — процесс высоких технологий (это лекционный материал И.Б. Битюцкий, Липецкий политехнический университет специальность электрические машины)^{[источник?]}).

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (к.м.п.т.) являются машины «пульсирующего тока», полученного путем выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога). Здесь стоит отметить разность в культуре электротехнической промышленности — если Европа выбрала чистую коллекторною машину, то СССР предпочел «гибрид бульдога с носорогом» — машину, где ток не менял полярность, но колебался от нуля до максимума. (И.Б. Битюцкий, Липецкий политехничский университет).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3–5 от номинального (против 5–10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет свое направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В к. м. п. т. реактивная ЭДС. также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Ее амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратиться в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации к.м.п.т. может быть решена следующим образом:

• Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
• Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М.П.Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
• Активная подшлифовка коллектора щетками максимальной твердости (высокий износ) и максимально возможного сопротивления.
• Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС. и паралельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчиненного регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
• Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Достоинства в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
• Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
• Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
• Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

• Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
• Компактность (даже с учётом редуктора).
• Больший пусковой момент.
• Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
• Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем:

• Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
• Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
  • Относительно малая надёжность (срок службы. Тяжелые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щеток, что снижает ресурс.
  • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи
  • Высокий уровень шума
  • Относительно большое число деталей коллектора (и соответственно двигателя)

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Сравнение с асинхронным двигателем

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

• УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
• Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
• Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, т.к. в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
• расщепленный паз
• создающая искусственною фазу емкость
• создающую искусственною фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50–60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Таким образом, в однофазных сетях к.м.п.т. не знает себе конкурентов.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

См. также

Примечания