Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель — это электрическая машина, в которой преобразование электрической энергии в механическую происходит за счёт взаимодействия магнитных полей, а переключение тока в обмотке ротора (якоря) осуществляется с помощью щёточно-коллекторного узла. Относится к классу электродвигателей постоянного или пульсирующего тока, хотя может работать и от однофазной сети переменного тока (универсальные коллекторные двигатели). Ключевая особенность — наличие коллектора, механического коммутатора, обеспечивающего вращение ротора в одном направлении.

История

Первые прототипы электродвигателей, использующих принцип коммутации тока, были созданы в 1830-х годах. В 1834 году русский учёный Борис Семёнович Якоби создал первый в мире практически пригодный электродвигатель с вращающимся якорем, который по сути являлся коллекторным. Его двигатель, работавший от гальванических элементов, приводил в движение лодку (1838 год) — первый в мире электроход. Однако широкое распространение коллекторные двигатели получили после изобретения Зенобом Граммом в 1870-х годах кольцевого якоря и усовершенствованной конструкции коллектора. В XX веке, с развитием силовой электроники и появлением дешёвых постоянных магнитов, коллекторные двигатели стали доминировать в бытовой технике, электроинструменте и на транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы). С конца XX века, с развитием бесколлекторных (вентильных) двигателей, их доля в ряде областей (например, в электромобилях) начала снижаться, но в нише недорогих и высокооборотных приводов они остаются востребованными.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Коллекторный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора (индуктора) и вращающегося ротора (якоря).

• Статор (индуктор): Создаёт постоянное магнитное поле. Может быть выполнен из постоянных магнитов (в маломощных двигателях) или электромагнитов (обмоток возбуждения, расположенных на полюсах). В двигателях с обмотками возбуждения статор имеет сердечник из листовой электротехнической стали.
• Ротор (якорь): Вращающаяся часть, на которой расположена обмотка якоря, уложенная в пазы сердечника. Сердечник якоря также набирается из листовой стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Обмотка якоря состоит из секций, соединённых между собой и с пластинами коллектора.
• Коллектор: Цилиндрический узел, набранный из изолированных друг от друга медных пластин (ламелей), к которым припаяны выводы секций обмотки якоря. Коллектор закреплён на валу ротора.
• Щёточно-коллекторный узел: Неподвижные щётки (обычно графитовые или медно-графитовые), скользящие по поверхности вращающегося коллектора. Через щётки подаётся напряжение на обмотку якоря. Щётки поджимаются к коллектору пружинами.

Принцип работы

При подаче напряжения на щётки ток проходит через обмотку якоря. Проводники обмотки, находящиеся в магнитном поле статора, испытывают действие силы Ампера, которая создаёт вращающий момент. При повороте ротора на некоторый угол щётки переходят на соседние ламели коллектора, переключая направление тока в соответствующей секции обмотки. Это переключение (коммутация) обеспечивает, что в каждом положении ротора проводники под полюсами статора имеют такое направление тока, которое создаёт момент, вращающий ротор в одну и ту же сторону. Таким образом, коллектор выполняет функцию механического инвертора, преобразуя постоянный ток внешней цепи в переменный (по направлению) ток в обмотке якоря.

Классификация

Коллекторные двигатели классифицируются по нескольким признакам.

По типу возбуждения

• С независимым возбуждением: Обмотка возбуждения (на статоре) питается от отдельного источника. Обеспечивает жёсткую механическую характеристику (малое изменение оборотов при изменении нагрузки).
• С последовательным возбуждением (сериесные): Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Развивают очень большой пусковой момент, но имеют мягкую характеристику — обороты сильно падают с ростом нагрузки. Широко применяются в электротранспорте (трамваи, электровозы) и в бытовых приборах (пылесосы, миксеры).
• С параллельным возбуждением (шунтовые): Обмотка возбуждения включена параллельно якорю. Имеют жёсткую характеристику, используются в станках, кранах.
• Со смешанным возбуждением (компаундные): Имеют две обмотки возбуждения — последовательную и параллельную. Сочетают свойства последовательного и параллельного возбуждения.
• С возбуждением от постоянных магнитов: Самый распространённый тип в маломощных приводах (игрушки, автомобильные стеклоподъёмники, вентиляторы). Просты, дёшевы, но имеют фиксированное поле, что ограничивает регулировку.

По типу питающего тока

• Двигатели постоянного тока: Классический тип, работающий от сети постоянного тока или батареи.
• Универсальные коллекторные двигатели (УКД): Способны работать как от постоянного, так и от однофазного переменного тока (обычно 220 В, 50 Гц). Устройство статора — шихтованный (набранный из листов) сердечник, как у трансформатора, для уменьшения потерь на перемагничивание. Широко применяются в электроинструменте (дрели, болгарки, перфораторы), бытовой технике (миксеры, кофемолки, фены) из-за высокой скорости вращения (до 30 000 об/мин) и большой мощности при малых габаритах.

По конструкции

• Закрытые (с защитой от пыли и влаги): Для бытовой техники, промышленных приводов.
• Открытые (с естественным охлаждением): Для стационарных установок.
• Со встроенным вентилятором: Наиболее распространённый тип для УКД.

Характеристики

• Скорость вращения: Может варьироваться от десятков оборотов в минуту (в мощных двигателях постоянного тока) до десятков тысяч (в универсальных коллекторных двигателях).
• Пусковой момент: У двигателей с последовательным возбуждением — максимальный (до 5-7 номинального), что важно для трогания с места транспорта.
• Регулировка скорости: Просто и плавно регулируется изменением напряжения на якоре (реостатное или широтно-импульсное регулирование) или изменением тока возбуждения.
• Коэффициент полезного действия (КПД): Обычно составляет 70–85% для машин средней мощности. У маломощных двигателей КПД ниже (50–60%).
• Недостатки: Наличие щёточно-коллекторного узла — главный минус. Щётки изнашиваются, требуют замены, искрят, создают радиопомехи. Коллектор также подвержен износу и требует периодической проточки. Искрение ограничивает срок службы и требует взрывозащищённого исполнения в пожароопасных средах.

Применение

Несмотря на вытеснение бесколлекторными двигателями в ряде областей, коллекторные двигатели остаются широко распространёнными благодаря низкой стоимости, простоте управления и высокому пусковому моменту.

• Электротранспорт: Трамваи, троллейбусы, электровозы, электропоезда (метро, пригородные). В России до сих пор эксплуатируются тысячи единиц подвижного состава с коллекторными тяговыми двигателями (например, электровозы серий ВЛ, ЧС; трамваи Tatra, КТМ).
• Электроинструмент: Дрели, перфораторы, шуруповёрты, болгарки (УШМ), лобзики, рубанки. Почти весь недорогой инструмент использует универсальные коллекторные двигатели. Российские производители, такие как «Интерскол» и «Зубр», выпускают широкую линейку такого инструмента.
• Бытовая техника: Пылесосы, миксеры, блендеры, кухонные комбайны, фены, электробритвы, кофемолки, швейные машины, стиральные машины (в старых моделях и в некоторых современных для привода насоса или барабана).
• Автомобильная промышленность: Стартеры, стеклоподъёмники, дворники, вентиляторы отопителя, приводы сидений, насосы омывателя.
• Промышленность: Металлорежущие станки (токарные, фрезерные, сверлильные), крановые механизмы, лебёдки, конвейеры, насосы, вентиляторы.
• Игрушки и моделизм: Радиоуправляемые модели, игрушечные железные дороги, роботы.

Интересные факты

• Самый мощный в мире коллекторный двигатель постоянного тока был построен в СССР для привода прокатного стана. Его мощность составляла около 12 000 кВт.
• В 2020-х годах в России продолжается выпуск коллекторных двигателей для промышленности и транспорта. Например, завод «Динамо» (Москва) производит тяговые двигатели для метро и электропоездов, а «Русэлпром» (Москва) — крановые и станковые двигатели.
• Искрение коллектора — источник радиопомех. Для их подавления в бытовых приборах используются помехоподавляющие фильтры (конденсаторы, дроссели).
• Срок службы щёток в бытовом инструменте составляет 200–500 часов работы, после чего требуется их замена. В промышленных двигателях щётки могут служить до 2000–3000 часов.

Источники

• Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины и микромашины. — М.: Высшая школа, 1990.
• Копылов И. П. Электрические машины. — М.: Энергоатомиздат, 2004.
• Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978.
• Кацман М. М. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 2000.
• ГОСТ 16264.0-85 «Двигатели коллекторные постоянного тока. Общие технические условия».
• Материалы сайта ОАО «Электромашина» (Челябинск) — производитель коллекторных двигателей.
• Материалы сайта ООО «Русэлпром» — производитель электрических машин.