Un motor electric de colector este o mașină electrică în care senzorul de poziție a rotorului și comutatorul de curent din înfășurări sunt același dispozitiv - un ansamblu perie-colector .
Cele mai mici motoare de acest tip ( unități Watt ) conțin în cazul:
Sunt folosite în principal în jucării pentru copii, jucători, uscătoare de păr, aparate de ras electric, șurubelnițe fără fir etc. (tensiune de funcționare 3-9 volți).
Motoarele mai puternice (zeci de wați) au de obicei:
Acesta este designul pe care majoritatea motoarelor electrice din mașinile moderne (tensiune de funcționare 12 sau 24 volți ): antrenează ventilatoare pentru sistemele de răcire, încălzire și ventilație, ștergătoare, pompe de spălare, pompe suplimentare de încălzire, precum și în compresoare pentru umflarea anvelopelor și aspirarea mașinii. curatatorii .
Motoarele cu o putere de sute de wați, spre deosebire de cele anterioare, conțin un stator cu patru poli de electromagneți . Proprietățile motoarelor electrice se datorează în mare măsură modului în care înfășurările statorului pot fi conectate în raport cu armătura:
În acest motor electric, înfășurarea armăturii este conectată la sursa principală de curent continuu (rețea de curent continuu, generator sau redresor), iar înfășurarea de excitație este conectată la sursa auxiliară. Un reostat de reglare este inclus în circuitul de înfășurare de excitație, iar un reostat de pornire este inclus în circuitul de înfășurare a armăturii. Reostatul de reglare este folosit pentru a regla viteza armăturii motorului, iar reostatul de pornire este utilizat pentru a limita curentul din înfășurarea armăturii în timpul pornirii. O trăsătură caracteristică a motorului electric este că curentul său de excitație nu depinde de curentul din înfășurarea armăturii (curent de sarcină). Prin urmare, putem presupune aproximativ că fluxul magnetic al motorului nu depinde de sarcină. Dependența cuplului și a vitezei de curent vor fi liniare: cuplul este direct proporțional cu curentul de sarcină și scade liniar odată cu creșterea vitezei. Nu sunt instalate întrerupătoare și siguranțe în circuitul de înfășurare de excitație, deoarece atunci când acest circuit se întrerupe, fluxul magnetic al motorului electric scade brusc și are loc un mod de urgență. Dacă motorul electric funcționează la ralanti sau cu o sarcină mică pe arbore, atunci viteza de rotație crește brusc (motorul intră în supramulțumire). În acest caz, curentul din înfășurarea armăturii crește foarte mult și poate apărea un incendiu general. Pentru a evita acest lucru, protecția trebuie să deconecteze motorul de la sursa de alimentare. O creștere bruscă a vitezei de rotație atunci când circuitul înfășurării de excitație este întreruptă se explică prin faptul că în acest caz fluxul magnetic, de ex. d.s., iar curentul crește. Și deoarece tensiunea aplicată rămâne neschimbată, viteza de rotație va crește până la e. d.s. nu va atinge o valoare aproximativ egală cu tensiunea de alimentare, care este necesară pentru starea de echilibru a circuitului electric al armăturii. Când sarcina pe arbore este aproape de cea nominală, motorul electric se va opri dacă circuitul de excitație este întrerupt, deoarece cuplul electromagnetic pe care îl poate dezvolta motorul cu o scădere semnificativă a fluxului magnetic scade și devine mai mic decât cuplul de sarcină. pe arbore. În acest caz, curentul crește, de asemenea, brusc, înfășurarea poate eșua din cauza supraîncălzirii.
Aici, înfășurările de excitație și armătură sunt alimentate de aceeași sursă de energie electrică cu tensiune. Un reostat de reglare este inclus în circuitul de înfășurare de excitație, iar un reostat de pornire este inclus în circuitul de înfășurare a armăturii. În motorul electric luat în considerare, există în esență o alimentare separată a circuitelor de înfășurare a armăturii și excitație, drept urmare curentul de excitație nu depinde de curentul înfășurării armăturii. Prin urmare, un motor excitat în paralel va avea aceleași caracteristici ca un motor excitat independent. Cu toate acestea, un motor excitat în paralel funcționează corect numai atunci când este alimentat de o sursă de curent continuu cu tensiune constantă.
Înfășurarea de excitație este conectată în serie cu armătura. Pentru a limita curentul la pornire, un reostat de pornire poate fi inclus în circuitul de înfășurare a armăturii, iar un reostat de reglare poate fi conectat în paralel cu înfășurarea câmpului pentru a controla viteza. O trăsătură caracteristică a acestui motor electric este că curentul său de excitație este egal sau proporțional (când reostatul este pornit) cu curentul înfășurării armăturii, prin urmare fluxul magnetic depinde de sarcina motorului. Când curentul înfășurării armăturii este mai mic de 0,8-0,9 din curentul nominal, sistemul magnetic al mașinii nu este saturat și putem presupune că fluxul magnetic se modifică direct proporțional cu curentul. Prin urmare, viteza caracteristică a motorului electric va fi moale - cu o creștere a curentului, viteza de rotație va scădea brusc. Scăderea vitezei de rotație se datorează creșterii căderii de tensiune în rezistența internă a circuitului de înfășurare a armăturii, precum și creșterii fluxului magnetic. Momentul electromagnetic va crește brusc odată cu creșterea curentului, deoarece în acest caz și fluxul magnetic crește, prin urmare, la un curent mai mic de 0,8-0,9 nominal, caracteristica vitezei are forma unei hiperbole, iar caracteristica cuplului are formă de parabolă.
Dacă curentul este mai mare decât curentul nominal, dependențele cuplului și vitezei de rotație de curent sunt liniare, deoarece în acest mod circuitul magnetic va fi saturat și fluxul magnetic nu se va schimba atunci când curentul se schimbă.
Caracteristica mecanică a motorului considerat este moale și are un caracter hiperbolic. La sarcini mici, fluxul magnetic scade foarte mult, viteza de rotație crește brusc și poate depăși valoarea maximă admisă (motorul intră în supramulțumire). Prin urmare, astfel de motoare nu pot fi utilizate pentru a antrena mecanisme care funcționează în regim de ralanti și la sarcină mică (diverse mașini-unelte, transportoare etc.).
De obicei, sarcina minimă admisă pentru motoarele de putere mare și medie este de 0,2 .... 0,25 nominal. Pentru a preveni funcționarea motorului fără sarcină, acesta este conectat rigid la mecanismul de antrenare (angrenaj sau ambreiaj oarbă), utilizarea unei transmisii prin curea sau a unui ambreiaj cu frecare este inacceptabilă, deoarece dacă cureaua se rupe, motorul se poate defecta.
În ciuda acestui dezavantaj, motoarele excitate în serie sunt utilizate pe scară largă, mai ales acolo unde există modificări largi ale cuplului de sarcină și condiții dificile de pornire: în toate mecanismele de tracțiune (locomotive electrice, locomotive diesel, trenuri electrice, mașini electrice, stivuitoare electrice etc.), precum şi în acţionarea mecanismelor de ridicare a sarcinii (macarale, ascensoare etc.).
Acest lucru se explică prin faptul că, cu o caracteristică moale, o creștere a cuplului de sarcină duce la o creștere mai mică a consumului de curent și putere decât pentru motoarele cu excitație independentă și paralelă, prin urmare motoarele cu excitație în serie tolerează mai bine suprasarcinile. În plus, aceste motoare au un cuplu de pornire mai mare decât motoarele cu excitație paralelă și independentă, deoarece odată cu creșterea curentului înfășurării armăturii la pornire, fluxul magnetic crește în mod corespunzător.
În acest motor electric, fluxul magnetic este creat ca rezultat al acțiunii combinate a două înfășurări de excitație - paralele (sau independente) și serie.
Caracteristica mecanică a unui motor cu excitație mixtă se află între caracteristicile motoarelor excitate în paralel și în serie. Avantajul unui motor de curent continuu cu excitație mixtă este că, având o caracteristică mecanică moale, poate funcționa la ralanti. În acest mod, frecvența de rotație a armăturii sale este determinată de fluxul magnetic al înfășurării paralele și are o valoare limitată (motorul nu funcționează) [1] .
Avantajele generale ale motoarelor DC colectoare sunt ușurința de fabricare, operare și reparare și o resursă destul de lungă.
Dezavantajele includ faptul că proiectele eficiente (cu eficiență ridicată și greutate redusă) ale unor astfel de motoare sunt cu cuplu redus și cu viteză mare (sute și mii de rotații pe minut), prin urmare, pentru majoritatea unităților (cu excepția ventilatoarelor și pompelor), sunt necesare cutii de viteze. Această afirmație nu este în întregime adevărată, dar justificată. O mașină electrică construită pentru viteză mică are în general o eficiență scăzută și probleme de răcire asociate. Cel mai probabil, problema este de așa natură încât nu există soluții elegante pentru ea.
Motorul electric de colector universal (UKD) este un tip de mașină de colector de curent continuu care poate funcționa atât cu curent continuu, cât și cu curent alternativ [2] . S-a răspândit pe scară largă în uneltele electrice manuale și în unele tipuri de aparate de uz casnic datorită dimensiunilor sale mici, greutății ușoare, ușurinței în controlul vitezei și prețului relativ scăzut. A fost utilizat pe scară largă pe căile ferate din Europa și SUA ca motor de tracțiune.
Caracteristici de designStrict vorbind, un motor de comutator universal este un motor de comutator de curent continuu cu înfășurări de câmp (stator) conectate în serie, optimizat pentru funcționarea pe curent alternativ al unei rețele electrice de uz casnic. Acest tip de motor, indiferent de polaritatea tensiunii aplicate, se rotește într-o singură direcție, deoarece datorită conexiunii în serie a înfășurărilor statorului și rotorului, schimbarea polilor câmpurilor lor magnetice are loc simultan, iar momentul rezultat rămâne îndreptat în O singura directie. De fapt, există o mică schimbare de fază acolo, care provoacă apariția unui moment opus, dar este mic, echilibrarea înfășurărilor nu numai că îmbunătățește condițiile de comutare, ci și reduce acest moment. (M. P. Kostenko, „Mașini electrice”). Pentru nevoile căilor ferate au fost construite stații speciale de curent alternativ de joasă frecvență - 16 Hz în Europa, în timp ce în SUA, frecvența de 25 Hz a fost una dintre cele standard (alături de 60 Hz) până în anii 50 ai XX. secol. În anii 1950, un consorțiu germano-francez de producători de mașini electrice a reușit să construiască o mașină de tracțiune monofazată cu frecvență industrială (50 Hz). Potrivit M.P. Kostenko „Mașini electrice”, o locomotivă electrică cu mașini colectoare monofazate la 50 Hz a fost testată în URSS, unde a primit o evaluare negativă entuziastă a specialiștilor. .
Pentru a putea lucra pe curent alternativ, se folosește un stator dintr-un material moale magnetic cu o histereză mică (rezistență la remagnetizare). Pentru a reduce pierderile de curenți turbionari, statorul este realizat din plăci izolate. Un subset de mașini colectoare de curent alternativ (KMPT) sunt mașini cu „curent pulsatoriu” obținute prin rectificarea curentului unui circuit monofazat fără netezirea ondulațiilor ( cai ferate ).
O caracteristică (în cele mai multe cazuri, un avantaj) a funcționării unui astfel de motor pe curent alternativ (și nu pe curent continuu de aceeași tensiune) este că în modul de viteză mică (pornire și suprasarcină), rezistența inductivă a înfășurărilor statorului limitează curentul consumat și, în consecință, cuplul maxim al motorului (estimat) până la 3-5 din nominal (față de 5-10 când același motor este alimentat cu curent continuu). Pentru a aproxima caracteristicile mecanice ale motoarelor de uz general, se poate utiliza secţionarea înfăşurărilor statorului - concluzii separate (și un număr mai mic de spire ale înfăşurării statorului) pentru conectarea curentului alternativ.
O problemă dificilă este problema comutării unei mașini puternice de colectare de curent alternativ. În momentul comutării (trecerea prin secțiunea neutră), câmpul magnetic cuplat la secțiunea armăturii (rotor) își schimbă direcția în sens opus, ceea ce determină generarea în secțiune a așa-numitului EMF reactiv. Acesta este cazul curentului continuu. În CMPT are loc și EMF reactiv. Dar, deoarece armătura (rotorul) se află în câmpul magnetic al statorului pulsand în timp, în secțiunea comutată are loc suplimentar un transformator EMF. Amplitudinea acestuia va fi maximă în momentul pornirii mașinii, scădea proporțional pe măsură ce se apropie de viteza de sincronism (în punctul de sincronism se va întoarce la zero) și apoi, pe măsură ce mașina accelerează, va crește din nou proporțional. Problema comutării CMPT poate fi rezolvată după cum urmează:
Inversarea UKD se realizează prin comutarea polarității de pornire a înfășurărilor numai statorului sau numai rotorului.
Avantaje și dezavantajeComparația este dată pentru cazul conectării la o rețea electrică monofazată casnică 220 volți 50 Hz. si aceeasi putere a motorului. Diferența dintre caracteristicile mecanice ale motoarelor („moliciune-duritate”, cuplu maxim) poate fi atât un avantaj, cât și un dezavantaj, în funcție de cerințele pentru acționare.
Comparație cu un motor DC cu periiAvantaje:
Defecte:
Avantaje:
Defecte:
Trebuie remarcat faptul că, în aparatele electrocasnice moderne, resursa unui motor electric (ansamblul perii-colector) este comparabilă cu resursa corpurilor de lucru și a angrenajelor mecanice.
Motoarele (UKD și asincrone) de aceeași putere, indiferent de frecvența nominală a motorului asincron , au caracteristici mecanice diferite :
Câmpul care se rotește în antifază reduce teoretic eficiența maximă a unui motor asincron monofazat la 50-60% din cauza pierderilor într-un sistem magnetic suprasaturat și a pierderilor active în înfășurări, care sunt încărcate cu curenți de „câmp opus”. De fapt, două mașini electrice „stau” pe același arbore, dintre care una funcționează în modul motor, iar a doua în modul opoziție.
Caracteristica mecanică determină în primul rând domeniile (diferite) de aplicare ale acestor tipuri de motoare.
Datorită vitezei reduse, limitată de frecvența rețelei AC, motoarele asincrone de aceeași putere au greutate și dimensiuni semnificativ mai mari decât UKD. Dacă un motor asincron este alimentat de un convertor ( invertor ) cu o frecvență înaltă, atunci greutatea și dimensiunile ambelor mașini devin comparabile. În același timp, rigiditatea caracteristicii mecanice rămâne, se adaugă pierderi pentru conversia curentului și, ca urmare a creșterii frecvenței, crește pierderile inductive și magnetice (eficiența globală scade).
Analogii nodului fără periiCel mai apropiat analog al UKD în ceea ce privește caracteristicile mecanice este un motor electric fără perii ( un motor electric fără perii , în care un invertor cu un senzor de poziție a rotorului ( RPS ) este un analog electronic al ansamblului perii-colector .
Analogul electronic al unui motor colector universal este un sistem: un redresor (punte), un motor electric sincron cu un senzor de poziție unghiulară a rotorului (senzor unghiular ) și un invertor (cu alte cuvinte, un motor cu supapă cu redresor).
Cu toate acestea, datorită utilizării magneților permanenți în rotor, cuplul maxim al unui motor fără perii cu aceleași dimensiuni va fi mai mic.