Silnik komutatorowy to synchroniczna maszyna elektryczna, w której wyłącznik prądu w uzwojeniu i czujnik położenia wirnika są wykonane w postaci tego samego urządzenia - zespołu szczotko-kolektora. To urządzenie występuje w wielu formach.
Odmiany
Silnik komutatorowy prądu stałego zazwyczaj zawiera elementy takie jak:
- trzybiegunowy wirnik na łożyskach ślizgowych;
- dwubiegunowy stojan z magnesem trwałym;
- miedziane płytki jako szczotki zespołu komutatora.
Ten zestaw jest typowy dla rozwiązań o najniższej mocy zwykle stosowanych w zabawkach dla dzieci, gdzie nie jest wymagana duża moc. Mocniejsze silniki zawierają kilka innych elementów konstrukcyjnych:
- cztery szczotki grafitowe w formie zespołu kolektora;
- wielobiegunowy wirnik na łożyskach tocznych;
- czterobiegunowy stojan z magnesem trwałym.
Najczęściej tego typu urządzenie silnikowestosowany w nowoczesnych samochodach do napędu wentylatora układu chłodzenia i wentylacji, pomp spryskiwaczy, wycieraczek i innych elementów. Istnieją również bardziej złożone agregaty.
Moc kilkuset watów silnika elektrycznego wymaga użycia czterobiegunowego stojana wykonanego z elektromagnesów. Aby połączyć jego uzwojenia, można użyć jednej z kilku metod:
- Szeregowo z rotorem. W tym przypadku uzyskuje się duży maksymalny moment obrotowy, jednak ze względu na wysokie obroty biegu jałowego ryzyko uszkodzenia silnika jest duże.
- Równolegle z rotorem. W takim przypadku prędkość pozostaje stabilna w zmieniających się warunkach obciążenia, ale maksymalny moment obrotowy jest zauważalnie mniejszy.
- Wzbudzenie mieszane, gdy część uzwojenia jest połączona szeregowo, a część równolegle. W takim przypadku łączy się zalety poprzednich opcji. Ten typ jest używany do rozruszników samochodowych.
- Niezależne wzbudzenie, które wykorzystuje oddzielny zasilacz. W takim przypadku uzyskuje się charakterystyki odpowiadające połączeniu równoległemu. Ta opcja jest rzadko używana.
Silnik komutatorowy ma pewne zalety: są łatwe w produkcji, naprawie, obsłudze, a ich żywotność jest dość duża. Jako wady zwykle podkreśla się następujące: skuteczne konstrukcje takich urządzeń są zwykle szybkie i mają niski moment obrotowy, więc większość napędów wymaga instalacji skrzyń biegów. To twierdzenie jest uzasadnioneponieważ maszyna elektryczna zorientowana na niską prędkość charakteryzuje się niedocenianą wydajnością, a także związanymi z tym problemami z chłodzeniem. Te ostatnie są takie, że trudno znaleźć dla nich eleganckie rozwiązanie.
Uniwersalny silnik komutatorowy
Ten wariant jest rodzajem maszyny z komutatorem prądu stałego, która może działać zarówno na prądzie stałym, jak i przemiennym. Urządzenie stało się szeroko rozpowszechnione w niektórych typach sprzętu AGD i narzędzi ręcznych ze względu na jego niewielkie rozmiary, niską wagę, niski koszt i łatwość sterowania prędkością. Dość często spotykany jako pojazd trakcyjny na liniach kolejowych Stanów Zjednoczonych i Europy. Możesz rozważyć urządzenie silnika elektrycznego.
Cechy projektu
Dla lepszego zrozumienia tego zagadnienia należy bardziej szczegółowo zastanowić się, na czym opiera się prezentowane urządzenie. Uniwersalny silnik komutatorowy to urządzenie prądu stałego z szeregowo połączonymi uzwojeniami wzbudzenia, zoptymalizowane do pracy na prądzie przemiennym domowej sieci elektroenergetycznej. Silnik obraca się w jednym kierunku, niezależnie od biegunowości. Wynika to z faktu, że szeregowe połączenie uzwojeń stojana i wirnika prowadzi do jednoczesnej zmiany ich biegunów magnetycznych, dzięki czemu uzyskany moment obrotowy jest kierowany w jednym kierunku.
Z czego jest zrobione?
Silnik AC z komutatorem wymaga użycia magnetycznegomiękki materiał o niskiej histerezie. Aby zmniejszyć straty na prądy wirowe, element ten jest wykonany z ułożonych w stos płyt z izolacją. Jako podzbiór maszyn kolektorów prądu przemiennego zwyczajowo wyróżnia się jednostki prądu pulsującego, które uzyskuje się przez prostowanie prądu obwodu jednofazowego bez użycia wygładzania tętnień.
Silnik komutatorowy prądu przemiennego charakteryzuje się najczęściej następującą cechą: w trybie pracy z małą prędkością indukcyjna rezystancja uzwojeń stojana nie pozwala na pobór prądu powyżej określonych granic, podczas gdy maksymalny moment obrotowy silnika jest również ograniczone do 3-5 nominalnej. Aproksymację charakterystyk mechanicznych uzyskuje się poprzez zastosowanie sekcjonowania uzwojeń stojana – oddzielne wyjścia służą do podłączenia prądu przemiennego.
Dość trudne zadanie polega na przełączeniu potężnej maszyny zbierającej prąd przemienny. W momencie, gdy sekcja przechodzi przez neutralny, pole magnetyczne, które jest zazębione z wirnikiem, zmienia swój kierunek na przeciwny, co powoduje powstawanie reaktywnego pola elektromagnetycznego w sekcji. Dzieje się tak podczas pracy na zasilaniu prądem zmiennym. W maszynach zbierających prąd przemienny ma również miejsce reaktywne pole elektromagnetyczne. Zauważono tutaj również siłę elektromotoryczną transformatora, ponieważ wirnik znajduje się w polu magnetycznym stojana, które pulsuje w czasie. Płynny rozruch silnika kolektora nie jest możliwy, ponieważ w tym momencie amplituda maszyny będzie maksymalna, a w miarę zbliżania się do prędkości synchronizmu proporcjonalnie się zmniejszy. Jak dalejprzyspieszenia, zostanie odnotowany nowy wzrost. Aby rozwiązać problem przełączania w tym przypadku, proponuje się kilka kolejnych kroków:
- Sekcja jednoobrotowa powinna być preferowana w projekcie, aby zmniejszyć przepływ sprzęgła.
- Należy zwiększyć rezystancję czynną sekcji, dla której najbardziej obiecującymi elementami są rezystory w płytach kolektora, gdzie obserwuje się dobre chłodzenie.
- Komutator musi być aktywnie szlifowany szczotkami o maksymalnej twardości i największym oporze.
- EMF bierną można skompensować za pomocą dodatkowych biegunów z uzwojeniami szeregowymi, a uzwojenia równoległe są stosowane do kompensacji EMF transformatora. Ponieważ wartość tego ostatniego parametru jest funkcją prędkości kątowej wirnika i prądu magnesującego, takie uzwojenia wymagają zastosowania podrzędnych układów sterowania, których jeszcze nie ma.
- Częstotliwość obwodów zasilających powinna być jak najniższa. Najpopularniejsze opcje to 16 i 25 Hz.
- Odwrócenie UKD odbywa się poprzez zmianę polaryzacji uzwojenia stojana lub wirnika.
Wady i zalety
Porównania służą następujące warunki: urządzenia są podłączone do domowej sieci elektrycznej o napięciu 220 woltów i częstotliwości 50 Hz, przy takiej samej mocy silnika. Różnica we właściwościach mechanicznych urządzeń może być wadą lub zaletąw zależności od wymagań napędu.
Tak więc silnik z komutatorem prądu przemiennego: zalety w porównaniu z jednostką prądu stałego:
- Połączenie z siecią jest nawiązywane bezpośrednio i nie ma potrzeby używania dodatkowych komponentów. W przypadku jednostki DC wymagane jest sprostowanie.
- Prąd rozruchowy jest znacznie mniejszy, co jest bardzo ważne w przypadku urządzeń używanych w życiu codziennym.
- Jeśli istnieje obwód sterujący, jego urządzenie jest znacznie prostsze - reostat i tyrystor. Jeśli element elektroniczny ulegnie awarii, silnik kolektora, którego cena zależy od mocy i waha się od 1400 rubli lub więcej, pozostanie sprawny, ale natychmiast włączy się z pełną mocą.
Istnieją również pewne wady:
- Ze względu na straty spowodowane odwróceniem stojana i indukcyjnością, ogólna sprawność jest zauważalnie zmniejszona.
- Maksymalny moment obrotowy również został zmniejszony.
Silniki elektryczne jednofazowe z kolektorami mają pewne zalety w porównaniu z silnikami asynchronicznymi:
- zwartość;
- brak powiązania z częstotliwością i szybkością sieci;
- znaczący moment rozruchowy;
- proporcjonalny spadek i wzrost prędkości w trybie automatycznym oraz wzrost momentu obrotowego wraz ze wzrostem obciążenia przy niezmienionym napięciu zasilania;
- regulacja prędkości może być płynna w dość szerokim zakresie poprzez zmianę napięcia zasilania.
Wady w porównaniu z silnikiem indukcyjnym
- gdy zmienia się obciążenie, prędkość będzie niestabilna;
- montaż szczotka-zbieracz sprawia, że urządzenie jest mało niezawodne (konieczność użycia najsztywniejszych szczotek znacznie zmniejsza zasoby);
- Przełączanie AC powoduje silną iskrę na kolektorze i powstają zakłócenia radiowe;
- wysoki poziom hałasu podczas pracy;
- kolektor charakteryzuje się dużą ilością części, przez co silnik jest dość masywny.
Nowoczesny silnik komutatorowy charakteryzuje się zasobem porównywalnym z możliwościami przekładni mechanicznych i korpusów roboczych.
Inne porównania
Porównując silniki kolektorowe i asynchroniczne o tej samej mocy, niezależnie od częstotliwości znamionowej tych ostatnich, uzyskuje się inną charakterystykę. Zostanie to opisane bardziej szczegółowo poniżej. Uniwersalny kolektorowy silnik elektryczny ma „miękką” charakterystykę. W tym przypadku moment jest wprost proporcjonalny do obciążenia na wale, podczas gdy obroty są do niego odwrotnie proporcjonalne. Znamionowy moment obrotowy jest zwykle 3-5 razy mniejszy niż maksymalny. Ograniczenie obrotów biegu jałowego charakteryzuje się wyłącznie stratami w silniku, podczas włączania potężnej jednostki bez obciążenia może się on zawalić.
Charakterystyczną cechą silnika asynchronicznego jest „wentylator”, to znaczy, że jednostka utrzymuje prędkość zbliżoną do nominalnej, zwiększając moment obrotowy tak gwałtownie, jak to możliwe, z niewielkim spadkiem prędkości. Jeśli mówimy o znacznej zmianie tego wskaźnika, to moment obrotowy silnika nie tylko nie wzrasta, ale także spadado zera, co prowadzi do całkowitego zatrzymania. Prędkość biegu jałowego jest nieco wyższa niż nominalna, ale pozostaje stała. Cechą charakterystyczną jednofazowego silnika indukcyjnego jest dodatkowy zestaw problemów związanych z rozruchem, ponieważ w normalnych warunkach nie wytwarza on momentu rozruchowego. Pulsujące w czasie pole magnetyczne jednofazowego stojana rozpada się na dwa pola o przeciwnych fazach, co uniemożliwia start bez różnego rodzaju sztuczek:
- pojemność, która tworzy sztuczną fazę;
- dzielony rowek;
- aktywny opór tworzący sztuczną fazę.
Teoretycznie przeciwfazowe pole wirujące zmniejsza maksymalną sprawność jednofazowej jednostki asynchronicznej do 50-60% ze względu na straty w przesyconym układzie magnetycznym i uzwojeniach obciążonych prądami przeciwpola. Okazuje się, że na jednym wale znajdują się dwie maszyny elektryczne, przy czym jedna pracuje w trybie silnikowym, a druga w trybie opozycyjnym. Okazuje się, że jednofazowe silniki elektryczne z kolektorami nie znają konkurentów w odpowiednich sieciach. To właśnie zasłużyło na tak dużą popularność.
Właściwości mechaniczne silnika elektrycznego zapewniają mu określony zakres zastosowania. Niskie prędkości, ograniczone częstotliwością sieci prądu przemiennego, powodują, że jednostki asynchroniczne o podobnej mocy mają duży ciężar i wielkość w porównaniu z kolektorami uniwersalnymi. Jednak po włączeniu do obwodu mocy falownika o wysokiej częstotliwości można osiągnąć porównywalne wymiary i wagę. Pozostaje sztywność charakterystyki mechanicznejsilnika, do którego dodawane są straty konwersji prądu, a także wzrost częstotliwości, wzrost strat magnetycznych i indukcyjnych.
Analogi bez zespołu rozdzielacza
Silnik komutatorowy prądu przemiennego ma najbardziej zbliżony pod względem mechanicznym analog - zaworowy, w którym zespół szczotkowo-kolektorowy został zastąpiony falownikiem wyposażonym w czujnik położenia wirnika. Jako elektroniczny analog tego urządzenia zastosowano następujący układ: prostownik, silnik synchroniczny z czujnikiem kąta obrotu wirnika, połączony z falownikiem. Jednak obecność magnesów trwałych w wirniku zmniejsza maksymalny moment obrotowy przy zachowaniu wymiarów.
Zasada działania
Kolektorowe urządzenie z silnikiem elektrycznym pokazuje, w jaki sposób urządzenie przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną i odwrotnie. Wskazuje to na jego zdolność do wykorzystania jako generator. Warto bardziej szczegółowo rozważyć kolektorowy silnik elektryczny, którego schemat pokaże jego możliwości.
Prawa fizyki jasno mówią, że kiedy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik w polu magnetycznym, wywierana jest na niego pewna siła. W tym przypadku działa reguła prawej ręki, która ma bezpośredni wpływ na moc silnika elektrycznego. Silnik komutatorowy działa dokładnie na tej podstawowej zasadzie.
Fizyka uczy nas, że podstawatworzenie właściwych rzeczy to małe zasady. Stanowiło to podstawę do stworzenia ramy obracającej się w polu magnetycznym, co umożliwiło stworzenie kolektorowego silnika elektrycznego. Na schemacie widać, że para przewodników znajduje się w polu magnetycznym, którego prąd jest skierowany w przeciwnych kierunkach, a co za tym idzie również siły. Ich suma daje wymagany moment obrotowy. Urządzenie silnika elektrycznego jest znacznie bardziej skomplikowane, ponieważ dodano do niego cały kompleks niezbędnych elementów, w szczególności kolektor, który zapewnia ten sam kierunek prądu na biegunach. Nierówny ruch został wyeliminowany poprzez umieszczenie większej liczby cewek na zworach, podczas gdy magnesy trwałe zostały zastąpione cewkami, co wyeliminowało potrzebę zasilania prądem stałym. Umożliwiło to nadanie momentu obrotowego w jednym kierunku.
Zrób to sam naprawa silnika elektrycznego
Podobnie jak każde inne urządzenie, to urządzenie może ulec awarii z dowolnego powodu. Jeżeli silnik elektryczny, którego zdjęcie można zobaczyć w naszym przeglądzie, nie może uzyskać wymaganej liczby obrotów lub wał nie kręci się podczas uruchamiania, należy sprawdzić, czy nie przepalił się jego bezpiecznik, czy nie ma przerw obwód elektryczny twornika, jeśli samo urządzenie jest przeciążone. Bardzo często przeciążenie skutkuje nieprawidłowym poborem prądu. Aby wyeliminować tę usterkę, należy dokładnie sprawdzić mechaniczną skrzynię biegów i hamulec, a następnie wyeliminować przyczyny przeciążeń.
Konstrukcja silnika elektrycznego jest taka, że po uruchomieniu zużywa siępewna ilość prądu. Jeśli jest większa niż wartość nominalna, należy sprawdzić zgodność połączenia uzwojeń równoległych i szeregowych względem siebie, a także względem reostatu. W przypadku samodzielnej naprawy silnika elektrycznego najczęściej popełniane są dość konkretne błędy. W szczególności uzwojenie bocznikowe może być połączone szeregowo z rezystancją elektryczną reostatu lub podłączone do jednego bieguna sieci elektrycznej.
Sprawdzenie zgodności połączenia uzwojenia roboczego wzbudzenia odbywa się poprzez połączenie jednego z końców uzwojenia bocznikowego z końcem kotwicy, a drugiego - z przewodem elektrycznym pochodzącym z łuku reostatu. Zazwyczaj przekrój tego przewodnika elektrycznego jest nieco mniejszy niż innych, dzięki czemu można go wykryć bez meggera. Po włączeniu włącznika zasilania i przesunięciu suwaka reostatu do pozycji środkowej, zasilanie jest dostarczane na wolne końce. Za pomocą lampki kontrolnej przeprowadzana jest sekwencyjna kontrola wszystkich końców przewodzących. Kiedy dotkniesz jednego z nich, lampa powinna się zapalić, ale nie z drugim. W ten sposób testowany jest cały silnik. Cena wykonanych prac będzie zależeć od rodzaju awarii jednostki.
Jeżeli podczas pracy urządzenia liczba obrotów jest mniejsza niż nominalna, to głównymi przyczynami tego są zwykle: niskie napięcie sieciowe, przeciążenie urządzenia, duży prąd wzbudzenia. W przypadku zauważenia niesprawności o przeciwnym charakterze wymagane jest sprawdzenie obwodu wzbudzenia, wyeliminowanie wszystkich zidentyfikowanych wad, po czymmożna ustawić normalną wartość prądu wzbudzenia. W niektórych przypadkach może być konieczne przewinięcie silników.
Gdy przyczyną niesprawności urządzenia jest błędne sparowanie równoległych i szeregowych uzwojeń pola, konieczne jest przywrócenie prawidłowej kolejności połączeń. Jeżeli nie da się w prosty sposób wyeliminować takiego problemu, może być konieczne przewinięcie silników elektrycznych. Konieczne jest również sprawdzenie wielkości napięcia w sieci elektrycznej, ponieważ wraz ze wzrostem jej wartości nominalnej obroty urządzenia mogą wzrosnąć.
