Komutátorový motor je synchrónny elektrický stroj, v ktorom sú prúdový spínač vo vinutí a snímač polohy rotora vyrobené vo forme rovnakého zariadenia - zostavy kefa-zberač. Toto zariadenie má mnoho podôb.
Odrody
Jednosmerný komutátorový motor zvyčajne obsahuje položky ako:
- trojpólový rotor na klzných ložiskách;
- dvojpólový stator s permanentným magnetom;
- medené platne ako kefy zostavy komutátora.
Táto súprava je typická pre riešenia s najnižšou spotrebou energie, ktoré sa zvyčajne používajú v detských hračkách, kde nie je potrebný vysoký výkon. Výkonnejšie motory obsahujú niekoľko ďalších konštrukčných prvkov:
- štyri grafitové kefy vo forme kolektorovej zostavy;
- viacpólový rotor na valivých ložiskách;
- stator s permanentným magnetom so štyrmi pólmi.
Najčastejšie tento typ motorového zariadeniapoužíva sa v moderných automobiloch na pohon ventilátora chladiaceho a ventilačného systému, čerpadiel ostrekovačov, stieračov a iných prvkov. Existujú aj zložitejšie agregáty.
Výkon elektrického motora niekoľko stoviek wattov zahŕňa použitie štvorpólového statora vyrobeného z elektromagnetov. Na pripojenie vinutia je možné použiť jeden z niekoľkých spôsobov:
- V sérii s rotorom. V tomto prípade sa dosiahne vysoký maximálny krútiaci moment, avšak kvôli vysokým voľnobežným otáčkam je vysoké riziko poškodenia motora.
- Paralelne s rotorom. V tomto prípade zostávajú otáčky stabilné pri meniacich sa podmienkach zaťaženia, ale maximálny krútiaci moment je výrazne nižší.
- Zmiešané budenie, keď je časť vinutia zapojená sériovo a časť paralelne. V tomto prípade sa kombinujú výhody predchádzajúcich možností. Tento typ sa používa na štartovanie automobilov.
- Nezávislé budenie, ktoré využíva samostatné napájanie. V tomto prípade sa získajú charakteristiky zodpovedajúce paralelnému pripojeniu. Táto možnosť sa používa zriedka.
Komutátorový motor má určité výhody: ľahko sa vyrábajú, opravujú, obsluhujú a ich životnosť je pomerne dlhá. Ako nevýhody sa zvyčajne zdôrazňujú nasledovné: efektívne konštrukcie takýchto zariadení sú zvyčajne vysokorýchlostné a majú nízky krútiaci moment, takže väčšina pohonov vyžaduje inštaláciu prevodoviek. Toto tvrdenie je opodstatnenékeďže elektrický stroj orientovaný na nízku rýchlosť sa vyznačuje podceňovanou účinnosťou, ako aj problémami s chladením, ktoré sú s tým spojené. Tie posledné sú také, že je pre nich ťažké nájsť elegantné riešenie.
Univerzálny komutátorový motor
Tento variant je akýmsi jednosmerným komutátorovým strojom schopným pracovať na jednosmernom aj striedavom prúde. Zariadenie sa stalo rozšíreným v niektorých typoch domácich spotrebičov a ručného náradia kvôli malým rozmerom, nízkej hmotnosti, nízkej cene a jednoduchosti ovládania rýchlosti. Pomerne často sa vyskytuje ako hnacie vozidlo na železniciach Spojených štátov a Európy. Môžete zvážiť zariadenie elektrického motora.
Dizajnové funkcie
Pre lepšie pochopenie tejto problematiky by ste mali podrobnejšie zvážiť, čo tvorilo základ prezentovaného zariadenia. Typ univerzálneho komutátorového motora je jednosmerný prúd s budiacimi vinutiami zapojenými do série, optimalizovaný pre prevádzku na striedavý prúd domácej elektrickej siete. Motor sa otáča jedným smerom bez ohľadu na polaritu. Je to spôsobené tým, že sériové zapojenie vinutia statora a rotora vedie k súčasnej zmene ich magnetických pólov a vďaka tomu je výsledný krútiaci moment smerovaný jedným smerom.
Z čoho je vyrobený?
Striedavý komutátorový motor zahŕňa použitie magnetickymäkký materiál s nízkou hysteréziou. Na zníženie strát vírivými prúdmi je tento prvok vyrobený z naskladaných dosiek s izoláciou. Ako podskupinu striedavých kolektorových strojov je zvykom vyčleniť jednotky pulzujúceho prúdu, ktoré sa získavajú usmernením prúdu jednofázového obvodu bez použitia vyhladzovania zvlnenia.
Striedavý komutátorový motor sa najčastejšie vyznačuje nasledujúcou vlastnosťou: v režime nízkych otáčok indukčný odpor vinutia statora neumožňuje spotrebu prúdu presahujúcu určité hranice, pričom maximálny krútiaci moment motora je tiež obmedzené na 3-5 nominálnych. Aproximácia mechanických charakteristík sa dosahuje použitím delenia statorových vinutí - samostatné výstupy sa používajú na pripojenie striedavého prúdu.
Pomerne náročná úloha zahŕňa prepnutie výkonného zberača striedavého prúdu. V momente, keď sekcia prejde cez neutrál, magnetické pole, ktoré je v zábere s rotorom, zmení svoj smer na opačný a to spôsobí generovanie reaktívneho EMF v sekcii. Stáva sa to pri napájaní zo siete. V strojoch so zberačom striedavého prúdu dochádza aj k reaktívnemu EMF. Je tu tiež zaznamenaný EMF transformátora, pretože rotor je v magnetickom poli statora, ktoré pulzuje v čase. Hladký štart motora kolektora nie je možný, pretože v tomto okamihu bude amplitúda stroja maximálna a keď sa priblíži k rýchlosti synchronizácie, úmerne sa zníži. Ako ďalejzrýchlenie, bude zaznamenaný nový nárast. Na vyriešenie problému s prepínaním v tomto prípade sa navrhuje niekoľko postupných krokov:
- Jednootáčkový úsek by mal byť uprednostňovaný v konštrukcii, aby sa znížil prietok spojky.
- Je potrebné zvýšiť aktívny odpor sekcie, pre ktoré sú najsľubnejšími prvkami odpory v kolektorových doskách, kde je pozorované dobré chladenie.
- Komutátor musí byť aktívne brúsený kefami maximálnej tvrdosti s najväčším odporom.
- Reaktívne EMF možno kompenzovať použitím prídavných pólov so sériovým vinutím a paralelné vinutia sú použiteľné na kompenzáciu EMF transformátora. Keďže hodnota posledného parametra je funkciou uhlovej rýchlosti rotora a magnetizačného prúdu, takéto vinutia vyžadujú použitie podriadených riadiacich systémov, ktoré ešte neexistujú.
- Frekvencia napájacích obvodov by mala byť čo najnižšia. Najpopulárnejšie možnosti sú 16 a 25 Hz.
- Obrátenie UKD sa vykonáva prepnutím polarity vinutia statora alebo rotora.
Pre a proti
Na porovnanie slúžia tieto podmienky: zariadenia sú pripojené k domácej elektrickej sieti s napätím 220 voltov a frekvenciou 50 Hz, pričom výkon motora je rovnaký. Rozdiel v mechanických vlastnostiach zariadení môže byť nevýhodou alebo výhodouv závislosti od požiadaviek disku.
Takže striedavý komutátorový motor: výhody v porovnaní s jednosmernou jednotkou:
- Pripojenie k sieti sa uskutočňuje priamo a nie je potrebné používať ďalšie komponenty. V prípade jednosmernej jednotky je potrebná náprava.
- Nábehový prúd je oveľa menší, čo je veľmi dôležité pre zariadenia používané v každodennom živote.
- Ak existuje riadiaci obvod, jeho zariadenie je oveľa jednoduchšie - reostat a tyristor. Ak elektronický komponent zlyhá, potom kolektorový motor, ktorého cena závisí od výkonu a pohybuje sa od 1 400 rubľov alebo viac, zostane funkčný, ale okamžite sa zapne na plný výkon.
Sú tu aj určité nevýhody:
- V dôsledku strát spôsobených reverzáciou statora a indukčnosťou je celková účinnosť výrazne znížená.
- Znížil sa aj maximálny krútiaci moment.
Jednofázové kolektorové elektromotory majú v porovnaní s asynchrónnymi určité výhody:
- kompaktnosť;
- nedostatok väzby na frekvenciu a rýchlosť siete;
- významný rozbehový krútiaci moment;
- proporcionálne zníženie a zvýšenie rýchlosti v automatickom režime, ako aj zvýšenie krútiaceho momentu so zvyšujúcim sa zaťažením, pričom napájacie napätie zostáva nezmenené;
- ovládanie rýchlosti môže byť plynulé v pomerne širokom rozsahu zmenou napájacieho napätia.
Nevýhody v porovnaní s indukčným motorom
- keď sa zmení zaťaženie, rýchlosť bude nestabilná;
- zostava zberača kief spôsobuje, že zariadenie nie je príliš spoľahlivé (potreba použiť najpevnejšie kefy výrazne znižuje zdroje);
- Prepínanie striedavého prúdu spôsobuje silnú iskru na kolektore a vytvára sa rádiové rušenie;
- vysoká hladina hluku počas prevádzky;
- rozdeľovač sa vyznačuje veľkým počtom dielov, vďaka čomu je motor dosť masívny.
Moderný komutátorový motor sa vyznačuje zdrojom porovnateľným so schopnosťami mechanických prevodov a pracovných telies.
Iné porovnania
Pri porovnaní kolektorových a asynchrónnych motorov rovnakého výkonu, bez ohľadu na ich menovitú frekvenciu, sa získa rozdielna charakteristika. Toto bude podrobnejšie popísané nižšie. Univerzálny kolektorový elektromotor implementuje "mäkkú" charakteristiku. V tomto prípade je moment priamo úmerný zaťaženiu hriadeľa, zatiaľ čo otáčky sú mu nepriamo úmerné. Menovitý krútiaci moment je zvyčajne 3-5 krát nižší ako maximálny. Obmedzenie voľnobežných otáčok sa vyznačuje výlučne stratami v motore, pri zapnutí výkonného agregátu bez záťaže môže dôjsť k jeho kolapsu.
Charakteristikou asynchrónneho motora je "ventilátor", to znamená, že jednotka udržiava otáčky blízke nominálnym, čím sa krútiaci moment čo najvýraznejšie zvyšuje s miernym poklesom otáčok. Ak hovoríme o výraznej zmene tohto ukazovateľa, potom sa krútiaci moment motora nielen nezvyšuje, ale aj klesána nulu, čo vedie k úplnému zastaveniu. Voľnobežné otáčky sú o niečo vyššie ako nominálne, pričom zostávajú konštantné. Charakteristickým znakom jednofázového indukčného motora je ďalší súbor problémov spojených so štartovaním, pretože za normálnych podmienok nevyvíja štartovací moment. Magnetické pole jednofázového statora, pulzujúce v čase, sa rozpadá na dve polia s opačnými fázami, čo znemožňuje štart bez najrôznejších trikov:
- kapacita, ktorá vytvára umelú fázu;
- delená drážka;
- aktívny odpor tvoriaci umelú fázu.
Teoreticky, protifázové rotujúce pole znižuje maximálnu účinnosť jednofázovej asynchrónnej jednotky na 50-60% v dôsledku strát v presýtenom magnetickom systéme a vinutiach zaťažených protipoľovými prúdmi. Ukazuje sa, že na rovnakom hriadeli sú dva elektrické stroje, pričom jeden pracuje v motorovom režime a druhý v opozičnom režime. Ukazuje sa, že jednofázové kolektorové elektromotory nepoznajú konkurentov v príslušných sieťach. Práve toto si zaslúžilo takú vysokú popularitu.
Mechanické vlastnosti elektromotora mu poskytujú určitý rozsah použitia. Nízke otáčky, obmedzené frekvenciou striedavého prúdu, robia asynchrónne jednotky podobného výkonu veľké čo do hmotnosti a veľkosti v porovnaní s univerzálnymi kolektormi. Pri zaradení do silového obvodu meniča s vysokou frekvenciou však možno dosiahnuť porovnateľné rozmery a hmotnosť. Tuhosť mechanickej charakteristiky zostáva zachovanámotora, ku ktorému sa pridávajú straty pri prevode prúdu, ako aj zvýšenie frekvencie, zvyšujú sa magnetické a indukčné straty.
Analógy bez zostavy rozdeľovača
AC komutátorový motor má analóg, ktorý je mu z hľadiska mechanických vlastností najbližší - ventilový, kde bola zostava kefa-kolektor nahradená invertorom vybaveným snímačom polohy rotora. Ako elektronický analóg tejto jednotky je použitý nasledujúci systém: usmerňovač, synchrónny motor so snímačom uhlovej polohy rotora, kombinovaný s meničom. Prítomnosť permanentných magnetov v rotore však znižuje maximálny krútiaci moment pri zachovaní rozmerov.
Princíp fungovania
Zariadenie kolektorového elektromotora ukazuje, ako zariadenie premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu a naopak. To naznačuje jeho schopnosť byť použitý ako generátor. Stojí za to podrobnejšie zvážiť kolektorový elektromotor, ktorého schéma ukáže jeho schopnosti.
Fyzikálne zákony jasne hovoria, že keď elektrický prúd prechádza vodičom v magnetickom poli, pôsobí naň určitá sila. V tomto prípade funguje pravidlo pravej ruky, ktoré má priamy vplyv na výkon elektromotora. Presne na tomto základnom princípe funguje komutátorový motor.
Fyzika nás učí, že základvytváranie správnych vecí sú malé pravidlá. To slúžilo ako základ pre vytvorenie rámu rotujúceho v magnetickom poli, čo umožnilo vytvoriť kolektorový elektromotor. Diagram ukazuje, že pár vodičov je umiestnený v magnetickom poli, ktorého prúd smeruje opačným smerom, a teda aj sily. Ich súčet dáva požadovaný krútiaci moment. Zariadenie elektrického motora je oveľa komplikovanejšie, pretože k nemu bol pridaný celý komplex potrebných prvkov, najmä kolektor, ktorý poskytuje rovnaký smer prúdu cez póly. Nerovnomerný chod bol eliminovaný umiestnením viacerých cievok na kotvu, pričom permanentné magnety boli nahradené cievkami, čím odpadla potreba jednosmerného prúdu. To umožnilo dať krútiacemu momentu jeden smer.
Oprava elektromotora svojpomocne
Ako každé iné zariadenie, aj toto zariadenie môže z akéhokoľvek dôvodu zlyhať. Ak elektromotor, ktorého fotografiu môžete vidieť v našej recenzii, nemôže získať požadovaný počet otáčok alebo sa hriadeľ pri štartovaní neotáča, musíte skontrolovať, či sú jeho poistky vypálené, či nie sú prerušené elektrický obvod kotvy, ak je samotné zariadenie preťažené. Preťaženie má veľmi často za následok abnormálnu spotrebu prúdu. Na odstránenie tejto poruchy je potrebné dôkladne skontrolovať mechanickú prevodovku a brzdu a následne odstrániť príčiny preťaženia.
Konštrukcia elektromotora je taká, že keď sa naštartuje, spotrebujeurčité množstvo prúdu. Ak je väčšia ako nominálna hodnota, je potrebné skontrolovať konzistenciu spojenia paralelného a sériového vinutia navzájom, ako aj vo vzťahu k reostatu. Pri opravách elektromotorov svojpomocne sa najčastejšie robia celkom špecifické chyby. Predovšetkým môže byť bočné vinutie zapojené do série s elektrickým odporom reostatu alebo pripojené k jednému pólu elektrickej siete.
Kontrola konzistencie pripojenia pracovného budiaceho vinutia sa vykonáva spojením jedného z koncov bočníkového vinutia s koncom kotvy a druhým - s elektrickým vodičom vychádzajúcim z oblúka reostatu. Zvyčajne je prierez tohto elektrického vodiča o niečo menší ako ostatné, takže ho možno zistiť bez meggeru. Po zapnutí vypínača a posunutí posúvača reostatu do strednej polohy sa na voľné konce privádza energia. Pomocou kontrolnej lampy sa vykonáva postupná kontrola všetkých vodivých koncov. Keď sa dotknete jedného z nich, lampa by sa mala rozsvietiť, ale nie s druhým. Takto sa testuje celý motor. Cena vykonaných prác bude závisieť od typu poruchy jednotky.
Ak počas prevádzky zariadenia dôjde k počtu otáčok, ktoré sú menšie ako nominálne, potom sú hlavné dôvody zvyčajne tieto: nízke sieťové napätie, preťaženie zariadenia, veľký budiaci prúd. Ak je zistená nefunkčnosť opačného charakteru, je potrebné skontrolovať budiaci obvod, odstrániť všetky zistené závady a následnemôžete nastaviť normálnu hodnotu budiaceho prúdu. V niektorých prípadoch môže byť potrebné previnúť motory.
Ak je dôvodom nefunkčnosti jednotky chybné spárovanie paralelného a sériového vinutia poľa, je potrebné obnoviť správne poradie zapojenia. Ak nie je možné odstrániť takýto problém jednoduchým spôsobom, môže byť potrebné previnúť elektromotory. Je tiež potrebné skontrolovať veľkosť napätia v elektrickej sieti, pretože so zvýšením jeho menovitej hodnoty sa môžu zvýšiť otáčky zariadenia.
