Silnik szczotkowy DC: konstrukcja i zasada działania

Silniki kolektorowe są dość powszechne w życiu codziennym i w pracy. 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. Zastanówmy się, czym jest silnik kolektora prądu stałego (DCM), jakie są typy tego typu silników elektrycznych i gdzie są używane.

Definicja i urządzenie

Poradniki i encyklopedie podają następującą definicję:

„Silnik kolektora to silnik elektryczny, w którym czujnik położenia wału i przełącznik uzwojenia są tym samym urządzeniem - kolektorem. Takie silniki mogą działać tylko na prąd stały lub zarówno na prąd stały, jak i przemienny ”.

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

Do czego służy kolektor i jak jest zorganizowany? Kolektor znajduje się na wale (wirniku) i jest zespołem rozmieszczonych wzdłużnie płyt, odizolowanych od wału i od siebie. Nazywane są listwami. Odczepy sekcji uzwojenia twornika są połączone z lamelami (na ryciny poniżej), a właściwie każda z nich jest połączona z końcem poprzedniego i początkiem następnego odcinka uzwojenia.

Prąd jest dostarczany do uzwojeń przez szczotki. Szczotki tworzą kontakt ślizgowy i podczas obrotu wału stykają się z jedną lub drugą płytką. W ten sposób uzwojenia twornika są przełączane, do tego potrzebny jest kolektor.

Zespół szczotek składa się ze wspornika z uchwytami szczotek, a bezpośrednio w nich montuje się szczotki grafitowe lub metalowo-grafitowe. Aby zapewnić dobry kontakt, szczotki są dociskane do kolektora za pomocą sprężyn.

Na stojanie zainstalowane są magnesy trwałe lub elektromagnesy (uzwojenie polowe), które wytwarzają pole magnetyczne stojana. W literaturze dotyczącej maszyn elektrycznych zamiast słowa „stojan” często używa się terminów „układ magnetyczny” lub „induktor”. Poniższy rysunek przedstawia konstrukcję DCT w różnych rzutach. Teraz zastanówmy się, jak działa szczotkowany silnik prądu stałego!

Zasada działania

Gdy prąd przepływa przez uzwojenie twornika, powstaje pole magnetyczne, którego kierunek można określić za pomocą zasady świderka. Stałe pole magnetyczne stojana oddziałuje z polem twornika i zaczyna się obracać, ponieważ bieguny o tej samej nazwie są odpychane, przyciągane do przeciwnych. Co doskonale ilustruje poniższy rysunek.

Gdy szczotki przesuwają się na inne lamele, prąd zaczyna płynąć w przeciwnym kierunku (jeśli weźmiemy pod uwagę powyższy przykład), bieguny magnetyczne zamieniają się miejscami i proces się powtarza.

W nowoczesnych maszynach kolektorowych nie stosuje się konstrukcji dwubiegunowej z powodu nierównomiernego obrotu, w momencie zmiany kierunku prądu siły działające na twornik będą minimalne. A jeśli włączysz silnik, którego wał zatrzymał się w tej „przejściowej” pozycji, może w ogóle nie zacząć się obracać. Dlatego na kolektorze nowoczesnego silnika prądu stałego jest znacznie więcej biegunów i sekcji. uzwojenia układane w rowkach laminowanego rdzenia, dzięki czemu uzyskuje się optymalną płynność ruchu i moment obrotowy na wale.

Zasada działania silnika kolektora w prostym języku dla manekinów jest ujawniona w poniższym filmie, zdecydowanie zalecamy zapoznanie się.

Rodzaje KDPT i schematy połączeń uzwojeń

Zgodnie z metodą wzbudzenia, kolektorowe silniki prądu stałego wyróżnia się dwa typy:

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

Istnieją takie typy KDPT według metody łączenia uzwojeń:

• Wzbudzenie sekwencyjne (w dawnej literaturze rosyjskiej i od starych elektryków można usłyszeć nazwę „Serial”, z angielskiego. Seryjny). Tutaj uzwojenie pola jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika. Zaletą takiego schematu jest wysoki moment rozruchowy, a jego wadą jest spadek prędkości wraz ze wzrostem obciążenia wału (miękka charakterystyka mechaniczna) oraz fakt, że silnik wymyka się spod kontroli (niekontrolowany wzrost prędkości z późniejszym uszkodzeniem łożysk podporowych i twornika) na biegu jałowym lub przy obciążeniu wału w mniej niż 20-30% nominalny.
• Równoległy (zwany także „bocznikiem”). W związku z tym uzwojenie pola jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika. Przy niskich obrotach 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 obciążenia wału (ograniczone jego mocą), a wadą jest to, że w przypadku przerwania obwodu wzbudzenia może zwariować.
• Uzależniony. Uzwojenia polowe i zwory są zasilane z różnych źródeł. Takie rozwiązanie pozwala dokładniej kontrolować prędkość wału. Cechy pracy są podobne do DCT z równoległym wzbudzeniem.
• Mieszany. Część uzwojenia pola jest połączona równolegle, a część szeregowo z twornikiem. Połącz zalety typów szeregowych i równoległych.

Konwencjonalne oznaczenie graficzne można zobaczyć na poniższym schemacie.

W zagranicznej i współczesnej literaturze krajowej, a także na diagramach, można znaleźć inną reprezentację UGO dla KDPT, jak pokazano na poprzednim rysunku w postaci koła z dwoma kwadratami, gdzie koło oznacza kotwicę, a dwa kwadraty - pędzle.

Schemat połączeń i rewers

Schemat połączeń uzwojeń stojana i wirnika ustalany jest na etapie produkcji iw zależności od zastosowania danego silnika należy dobrać odpowiednie rozwiązanie. W niektórych trybach pracy (na przykład tryb hamowania) można zmienić obwody przełączające uzwojenia lub wprowadzić dodatkowe elementy.

Zawiera szczotkowe silniki prądu stałego o małej mocy wykorzystujące: przełączniki półprzewodnikowe (tranzystory), przełączniki lub przyciski, wyspecjalizowane mikroukłady sterowników lub użycie małej mocy przekaźnik. Duże maszyny o dużej mocy są podłączone do sieci prądu stałego za pomocą dwóch biegunów styczniki.

Poniżej widać odwracalny obwód do podłączenia silnika prądu stałego do sieci 220V. W praktyce w produkcji obwód będzie podobny, ale nie będzie w nim mostka diodowego, ponieważ wszystko linie do podłączenia takich silników są wyprowadzone z podstacji trakcyjnych, gdzie prąd przemienny prostuje się.

Odwrotność odbywa się poprzez zmianę polaryzacji na uzwojeniu pola lub na tworniku. Nie można zmienić polaryzacji zarówno tam, jak i tam, ponieważ kierunek obrotu wału nie ulegnie zmianie, jak ma to miejsce w przypadku uniwersalnych silników kolektorowych podczas pracy na prądzie przemiennym.

Aby płynnie uruchomić silnik, do obwodu zasilania uzwojenia twornika lub uzwojenia twornika i uzwojenia wzbudzenia (w zależności od obwodu ich połączenia) wprowadza się urządzenie regulacyjne, np. reostat, prędkość wału jest również regulowana w ten sam sposób, ale zamiast reostatu częściej stosuje się zestaw rezystorów stałych, połączonych za pomocą zestawu styczniki.

W nowoczesnych zastosowaniach prędkość zmienia się za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM) i klucz półprzewodnikowy, dokładnie tak się robi w elektronarzędziu akumulatorowym (śrubokręt, na przykład). Skuteczność tej metody jest znacznie wyższa.

Szereg zastosowań

Silniki kolektorowe prądu stałego są używane wszędzie zarówno w życiu codziennym, jak i w urządzeniach i mechanizmach przemysłowych, przyjrzyjmy się pokrótce ich obszarowi zastosowania:

• W samochodach, kolektory DCT 12V i 24V służą do napędzania piór wycieraczek (wycieraczek), w podnośnikach szyb, w celu uruchomienia silnik (rozrusznik to szczotkowy silnik prądu stałego o wzbudzeniu szeregowym lub mieszanym) oraz napędy innych Miejsce docelowe.
• W mechanizmach wyciągowych (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 sterowanych radiowo o małej mocy stosuje się KDPT z trójbiegunowym wirnikiem i magnesami trwałymi na stojanie.
• W ręcznym elektronarzędziu akumulatorowym - różnorodne wiertarki, szlifierki, wkrętarki elektryczne itp.

Należy pamiętać, że w nowoczesnych, drogich elektronarzędziach instalowane są nie kolektory, ale bezszczotkowe silniki elektryczne.

Zalety i wady

Przeanalizujmy zalety i wady szczotkowego silnika prądu stałego. Zalety:

1. Stosunek wymiarów do mocy (masa i wymiary).
2. Łatwa regulacja prędkości i łagodny start.
3. Moment rozruchowy.

Wady KDPT są następujące:

1. Zużycie szczotek. Silnie obciążone silniki, które są regularnie eksploatowane, wymagają regularnych przeglądów, wymiany szczotek i konserwacji zespołu kolektora.
2. Kolektor zużywa się z powodu tarcia szczotek.
3. Możliwe jest iskrzenie szczotek, co ogranicza stosowanie w miejscach niebezpiecznych (wówczas stosuje się KDPT w wykonaniu przeciwwybuchowym).
4. Ze względu na ciągłe przełączanie uzwojeń ten typ silnika prądu stałego wprowadza szumy i zniekształcenia do obwodów zasilających. lub sieci energetycznej, co prowadzi do awarii i problemów w działaniu innych elementów obwodu (szczególnie ważne w przypadku elektroniki) schematy).
5. W silnikach prądu stałego z magnesami trwałymi siły magnetyczne z czasem słabną (rozmagnesowane), a sprawność silnika spada.

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

Powiązane materiały:

• Co to jest anoda i katoda
• Jak działa rozrusznik magnetyczny
• Jak obniżyć napięcie w sieci?
• Co to jest silnik indukcyjny