Коллекторный двигатель постоянного тока

Коллекторный двигатель постоянного тока — это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения ротора, в которой переключение тока в обмотках якоря осуществляется с помощью щёточно-коллекторного узла. Относится к классу электрических двигателей и является одним из наиболее распространённых типов электродвигателей благодаря простоте управления скоростью вращения и высокому пусковому моменту.

Устройство и принцип действия

Коллекторный двигатель постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижного статора (индуктора) и вращающегося ротора (якоря). Статор создаёт постоянное магнитное поле, которое может формироваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитами — обмотками возбуждения. Ротор представляет собой цилиндрический сердечник с пазами, в которые уложена обмотка якоря, соединённая с коллектором.

Коллектор — это цилиндрический узел, набранный из изолированных друг от друга медных пластин (ламелей), к которым припаяны выводы секций обмотки якоря. По коллектору скользят графитовые или медно-графитовые щётки, закреплённые в щёткодержателях на статоре. Щётки подключаются к источнику постоянного тока.

Принцип действия основан на законе Ампера: при протекании тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на него действует сила, стремящаяся переместить проводник. В обмотке якоря ток распределяется таким образом, что в каждой секции, находящейся под полюсом статора, направление тока обеспечивает создание крутящего момента в одну сторону. При повороте ротора на определённый угол коллектор переключает ток в секциях, меняя его направление в проводниках, переходящих в зону действия другого полюса. Это обеспечивает непрерывность вращения.

Классификация

Коллекторные двигатели постоянного тока классифицируются по способу возбуждения магнитного поля статора:

По типу возбуждения

• Двигатели с независимым возбуждением: Обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного тока, не связанного с цепью якоря. Обеспечивают точное регулирование скорости и момента, применяются в станках, кранах, экскаваторах.
• Двигатели с параллельным возбуждением (шунтовые): Обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря. Имеют жёсткую механическую характеристику — скорость вращения мало зависит от нагрузки. Используются в приводах металлорежущих станков, вентиляторах, насосах.
• Двигатели с последовательным возбуждением (сериесные): Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Развивают очень большой пусковой момент и мягкую характеристику — скорость резко падает с ростом нагрузки. Применяются в электротранспорте (трамваи, троллейбусы, электровозы, электропогрузчики), в стартерах автомобилей.
• Двигатели со смешанным возбуждением (компаундные): Имеют две обмотки возбуждения — параллельную и последовательную. Сочетают свойства шунтовых и сериесных двигателей: высокий пусковой момент и достаточно жёсткую характеристику на рабочих режимах. Используются в прокатных станах, лифтах, конвейерах.

По конструктивному исполнению

• Двигатели с постоянными магнитами: На статоре используются мощные ферритовые или неодимовые магниты. Наиболее простые, компактные и дешёвые, но имеют ограниченную мощность и невозможность регулирования поля. Широко применяются в автомобильной технике (стеклоподъёмники, дворники, вентиляторы), игрушках, бытовых приборах (электробритвы, фены).
• Двигатели с электромагнитным возбуждением: Поле создаётся обмотками, питаемыми током. Позволяют регулировать магнитный поток, а следовательно, и скорость вращения в широких пределах. Применяются в промышленных электроприводах.

Характеристики

Основными характеристиками коллекторного двигателя постоянного тока являются:

• Пусковой момент — максимальный момент, развиваемый двигателем при неподвижном роторе. У сериесных двигателей может в 3–5 раз превышать номинальный.
• Механическая характеристика — зависимость скорости вращения от момента нагрузки. Различают жёсткие (параллельное возбуждение) и мягкие (последовательное возбуждение) характеристики.
• Регулировочные характеристики — возможность изменения скорости вращения изменением напряжения на якоре или тока возбуждения. Диапазон регулирования может достигать 1:10 и более.
• Коэффициент полезного действия (КПД) — обычно составляет 70–90% для машин средней и большой мощности. У маломощных двигателей (менее 100 Вт) КПД может быть ниже — 40–60%.
• Номинальные данные — напряжение, ток, мощность, скорость вращения, при которых двигатель работает в длительном режиме без перегрева.

Применение

Коллекторные двигатели постоянного тока находят широкое применение в различных отраслях:

• Электротранспорт: Тяговые двигатели последовательного и смешанного возбуждения устанавливаются на электровозах, трамваях, троллейбусах, электропоездах, карьерных самосвалах, электрокарах. В России их производством занимаются, в частности, предприятия, входящие в структуру «Трансмашхолдинга».
• Промышленность: Приводы металлорежущих станков, прокатных станов, подъёмных кранов, экскаваторов, конвейеров, насосов, вентиляторов. Двигатели с независимым возбуждением используются в системах с точным регулированием скорости (например, в бумагоделательных машинах).
• Автомобильная техника: Стартеры, стеклоподъёмники, дворники, вентиляторы радиатора, отопители, приводы сидений. Подавляющее большинство этих двигателей — с постоянными магнитами.
• Бытовая техника: Электробритвы, фены, миксеры, пылесосы, кухонные комбайны, швейные машины, электродрели, шуруповёрты (в старых моделях), вентиляторы.
• Специальная техника: Приводы роботов, манипуляторов, медицинского оборудования (хирургические дрели, стоматологические установки), авиационные и судовые электроприводы.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокий пусковой момент, особенно у двигателей последовательного возбуждения.
• Простота и плавность регулирования скорости вращения в широком диапазоне (изменением напряжения на якоре или тока возбуждения).
• Линейная зависимость момента от тока якоря, что упрощает системы управления.
• Возможность работы в режиме генератора (рекуперативное торможение) без дополнительных устройств.
• Компактность и относительно небольшая масса по сравнению с асинхронными двигателями той же мощности.

Недостатки

• Наличие щёточно-коллекторного узла — наиболее уязвимого элемента. Щётки изнашиваются, требуют периодической замены, создают искрение, которое может быть причиной радиопомех и пожароопасности во взрывоопасных средах.
• Ограниченный ресурс работы (обычно 1000–5000 часов до замены щёток, в зависимости от условий эксплуатации).
• Более низкая надёжность по сравнению с бесколлекторными двигателями (вентильными, асинхронными).
• Искрение на коллекторе ограничивает применение в агрессивных и взрывоопасных средах.
• Более сложная конструкция и высокая стоимость по сравнению с асинхронными двигателями той же мощности.

Интересные факты

• Первый практически пригодный коллекторный двигатель постоянного тока был создан в 1834 году русским учёным Борисом Семёновичем Якоби. Он установил его на лодку, которая в 1838 году совершила плавание по Неве с пассажирами на борту.
• В середине XX века коллекторные двигатели постоянного тока были основным типом регулируемого электропривода в промышленности. С развитием силовой электроники (тиристорных и транзисторных преобразователей) они стали активно вытесняться более надёжными асинхронными двигателями с частотным регулированием.
• В современной бытовой технике (например, в пылесосах) часто используются универсальные коллекторные двигатели, способные работать как от постоянного, так и от переменного тока. Они имеют последовательное возбуждение и отличаются высокой скоростью вращения (до 30 000 об/мин).
• Для уменьшения искрения и повышения ресурса щёток в мощных двигателях применяются компенсационные обмотки, расположенные в пазах полюсных наконечников статора.
• В России одним из крупнейших производителей коллекторных двигателей постоянного тока для промышленности является завод «Электромашина» (Челябинск), выпускающий машины серий 2П, 4П, ДП.

Источники

• Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1974.
• Копылов И. П. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 2000.
• Кацман М. М. Электрические машины. — М.: Академия, 2013.
• ГОСТ 16264.0-85. Двигатели коллекторные постоянного тока. Общие технические условия.
• Трансмашхолдинг. Тяговые электродвигатели. — Официальный сайт, 2023.