Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Принцип работ и конструктивные особенности

Устройство это достаточно специфичное, обладающее в силу схожести с машинами постоянного тока, похожими характеристиками и присущими им достоинствами.

Отличие от двигателей постоянного тока состоит в материале корпуса статора, изготовленном из листов электротехнической стали, благодаря чему удается добиться снижения потерь на вихревые токи.

Чтобы двигатель мог работать от обычной сети, т.е. 220 в, обмотки возбуждения соединяются последовательно.

Эти двигатели, называемые универсальными благодаря тому, что работают они от переменного и постоянного тока, бывают одно- и трехфазными.

Видео: Универсальный коллекторный двигатель

Серводвигатели против шаговых двигателей

Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Шаговые двигатели можно отнести к группе бесколлекторных двигателей постоянного тока. Шаговые двигатели, имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в индустриальных применениях. При увеличении скорости двигателя, уменьшается вращающийся момент.
Шаговые двигатели делают больше вибрации, чем другие типы двигателей, поскольку дискретный шаг имеет тенденцию хватать ротор от одного положения к другому. За счет этого шаговый двигатель во время работы очень шумный. Вибрация может быть очень сильная, что может привести двигатель к потери момента. Это связано с тем, что вал находится в магнитном поле и ведет себя как пружина. Шаговые двигатели работают без обратной связи, то есть не используют Энкодеры или резольверы для определения положения.
Типы:
Существует четыре главных типа шаговых двигателей:

• Шаговые двигателя с постоянным магнитом
• Гибридный шаговые двигателя
• Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Преимущества Шагового двигателя:

• Устойчив в работе
• Работает в широком диапазоне фрикционных и инерционных нагрузок и скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.
• Нет необходимости в обратной связи
• Намного дешевле других типов двигателей
• Подшипники — единственный механизм износа, за счет этого долгий срок эксплуатации.
• Превосходный крутящий момент при низких скоростях или нулевых скоростях
• Может работать с большой нагрузкой без использования редукторов
• Двигатель не может быть поврежден механической перегрузкой
• Возможность быстрого старта, остановки, реверсирования

Главным преимуществом шаговых приводов является точность. При подаче потенциалов на обмотки, шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод, можно приравнять к недорогой альтернативе сервоприводу, он наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

Недостатки шагового двигателя:

• Постоянное потребление энергии, даже при уменьшении нагрузки и без нагрузки
• У шагового двигателя существует резонанс
• Из-за того что нет обратной связи, можно потерять положение движения.
• Падение крутящего момента на высокой скорости
• Низкая ремонтопригодность

Применение.
Шаговые двигателя имеет большую область применения в машиностроении, станках ЧПУ, компьютерной технике, банковских аппаратах, промышленном оборудовании, производственных линиях, медицинском оборудовании и т.д.

Что такое серво двигатель и принцип его работы:

Серводвигателя делятся на категории щеточные (коллекторные) и без щеточные (без коллекторные) . Щеточные (коллекторные) серводвигатели могут быть постоянного тока, без коллекторные серводвигатели могут быть постоянного и переменного тока. Серводвигатели с щетками (коллекторные), имеют один недостаток каждые 5000 часов необходима замена щеток. На серводвигателях всегда есть обратная связь, это может быть энкодер или резольвером. Обратная связь необходима, чтобы достичь необходимой скорости, либо получить нужный угол поворота. В случаях высоких нагрузок и если скорость окажется ниже требуемой величины, ток пойдет на увеличение , пока скорость не достигнет нужной величины, если сигнал скорости покажет, что скорость больше, чем нужно, ток, пойдет на уменьшение. При использовании обратной связи по положению, сигнал о положении можно использовать чтобы остановить двигатель, после того, как ротор двигателя приблизится к нужному угловому положению.
АС серводвигатель — двигатель переменного тока. В ценообразовании двигатель переменного тока дешевле двигателя постоянного тока. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели и коллекторные.
В синхронных двигателях переменного тока ротор и магнитное поле вращается синхронно с одинаковой скоростью и в одном направлении с статором, а в асинхронных двигателях переменного тока ротор вращается несинхронно по отношению с магнитным полем. В асинхронном двигателе из-за отсутствия коллектора (щетки) регулировка оборотов происходит за счет изменения частоты и напряжения.

DC серводвигатель — двигатель постоянного тока.
Серводвигатели постоянного тока из за своих динамических качеств могут быть использованы приводом непрерывного действия. Серводвигатели постоянного тока могут постоянно работать в режимах старт, остановка и работать в обоих направлениях вращения. Обороты и развиваемый крутящий момент можно изменять путем изменения величины напряжения тока питания или импульсами.

Преимущества серводвигателей:

• При малых размерах двигателя можно получить высокую мощность
• Большой диапазон мощностей
• Отслеживается положение, за счет использования обратной связи
• Высокий крутящий момент по отношении к инерции
• Возможность быстрого разгона и торможения
• При высокой скорости, высокий крутящий момент
• Допустимый предел шума при высоких скоростях
• Полное отсутствия резонанса и вибрации
• Точность позиционирования
• Широкий диапазон регулирования скорости.
• Точность поддержания скорости и стабильность вращающего момента.
• Высокий статический момент Мо при нулевой скорости вращения.
• Высокая перегрузочная способность: Mmax до 3.5Mo, Imax до 4Io
• Малое время разгона и торможения, высокое ускорение (обычно > 5 м/с 2 ).
• Малый момент инерции двигателя, низкий вес, компактные размеры.

Пример работы двигателя:
На данном примере я перескажу вам принцип работы серводвигателя. После того, как вы сгенерировали управляющую программу, она создается в системе G-кодов, то есть ваша линия, окружность или любой созданный вами объект конвертируется в перемещение по координатам X,Y, Z на определённое расстояние. За расстояние отвечают импульсы, которые подаются через блок управления на двигатель. При перемещении любой из осей, например на 100 мм, драйвер (блок управления) подает определённое напряжение на двигатель, вал двигателя (ротор). Вал двигателя соединен с ходовым винтом (ШВП), вращение оборотов двигателя отслеживается энкодер. При вращении ходового винта по любой из осей, потому что при использовании серво, энкодеры (обратная связь) устанавливаются на тех осях, где вы хотите определить положение, на энкодер подаются импульсы, которые считываются системой управления ЧПУ. Системы ЧПУ программируются так, что ни понимают что, например, для перемещения на 100 мм необходимо получить определенное количество импульсов. Пока система ЧПУ не получит нужное количество импульсов на вход драйвера (блока управления) будет подаваться напряжение задания (рассогласование). Когда портал станка проедет заданные 100 мм, система ЧПУ получит нужное количество импульсов и напряжение на входе драйвера упадет до 0 и двигатель остановится. Прошу вас заметить, что преимущество обратной связи в том, что если по какое то либо причине произойдет смещение портала станка, энкодер отправит на систему управления нужное количество импульсов, для подачи нужного напряжения на согласования драйвера (блока управления), и двигатель поменяет угол. Для того что разногласие было равно 0, это помогает удерживать станок в заданной точке с высокой точностью. Не все типы двигателей способны, обеспечивать динамику разгона, нужный крутящий момент и т. п.

Сравнительная характеристика по основным параметрам

Срок эксплуатации и обслуживание

Шаговые двигатели – нет щеток, это увеличивает срок эксплуатации до многих лет, единственным слабым местом являются подшипники, могут работать в большом диапазоне высоких температур. Срок эксплуатации в разы дольше любого типа двигателя.

Из всех видов серво двигателей, самые дешевые это двигателя коллекторного типа (со щетками), они менее надежны, чем шаговые двигатели и требуют замены щеток примерно через 5000 часов непрерывной работы.
Другой тип бесколлекторных сервоприводов производятся по надежности как и шаговые двигателя, отсутствие щеток увеличивает срок эксплуатации, но не уменьшает стоимость ремонта. В некоторых случаях проще и дешевле купить новый двигатель, а не пытаться его отремонтировать.

Очень тяжело повредить и износить подшипник. Как и в любом двигателе возможно повреждение обмотки двигателя. Из низкой цены проще купить новый шаговый двигатель.

В некоторых случаях проще и дешевле купить новый двигатель, а не пытаться его отремонтировать.

При использование точных механизмов, может быть не ниже +/- 0.01 мм

сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1-2мкм и выше (1 мкм = 0.001 мм)

В лазерно гравировальных станках скорость 20 – 25 метров в минуту. Если мы говорим о фрезерных станках ЧПУ с тяжелыми порталами и балками. Максимальная скорость перемещения до 9 м/мин.

С использованием сервоприводов в станках с ЧПУ возможно достижение скоростей до 60 м/мин при использование высокосортной механике.

до 120 об/мин за секунду

до 1000 об/мин за 0,2 секунды

Потеря шагов при повышении скорости и нагрузки

При высоких скоростях и высоких нагрузках происходит потеря шагов. Эта не проблема возможна при воздействии внешних факторов: ударов, вибраций, резонансов и т.п.

У серво двигателей присутствует обратная связь, что полностью исключает потерю шагов.

Принудительная остановка (столкновение с препятствием)

Принудительная остановка шагового двигателя не вызывает у него никаких повреждений

В случае принудительной остановки серводвигателя, драйвер мотора должен правильно среагировать на данную остановку. В противном случае по обратной связи подается сигнал на доработку не пройденного расстояния, повышается ток на обмотках, двигатель может перегреться и сгореть!

По цене шаговый двигатель намного дешевле своего товарища серво двигателя.

Минимум в 1,5 раз дороже шагового двигателя.

Каждый тип двигателя предназначен для своей задачи. В некоторых случаях нужно использовать шаговых двигатель, а для некоторых задач необходимо использовать только серво двигатель. В фрезерных станках ЧПУ широко используются оба типа двигателей, просто у каждого из них есть свои задачи, и иногда не целесообразно переплачивать за серво, при небольших объемах производства.

Подведем черту сравнения серводвигателей и шаговых двигателей:

Если же вас не устраивают скоростные характеристики, Вам необходимо рассмотреть фрезерные деревообрабатывающие станки с ЧПУ «АртМастер» 2112, 2515, 3015(авт.) и высокоскоростной фрезерный деревообрабатывающий станок «АртМастер 3015 Racer».

Вы всегда должны для себя понимать, что сервомоторы позволяют вам с экономить время на холостых переходах, при этом вы не должны забывать правильно оптимизировать количество проходов. Скорость фрезеровки всегда зависит от мощности режущего инструмента (электрошпинделя) и типа фрезы. Мы не сможете получить хорошую скорость фрезеровки при низком качестве инструмента. Вы получите либо брак в изделии, либо Вам потребуется постоянная замена режущего инструмента. То есть при использовании высоких скоростей, при обработке материала вы не должны забывать о качестве и типе инструмента для фрезеровки. Дорогой инструмент не только быстрее режет, но и служит дольше. И прошу не забывать другое преимущество серво: высокая скорость и производительность в разы выше, чем у шагового при фрезеровке объёмных изображений (фото), резьбы (фото). При наличии смены инструмента, вакуумного стола вы можете оптимизировать ваше производство и минимизировать отходы.

Если вы хотите добиться увеличения объёмов выполненной работы на вашем производстве, решение только одно — сервомоторы, а для старта или изготовления фасадов, дверей, столешниц, и прямолинейного, криволинейного раскроя при объёмах производства от 500-1000 кв.м, вы можете остановить свой выбор на станках с шаговыми двигателями.

УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В основу управления режимами работы двигателей переменного тока заложен принцип зависимости частоты вращения вала от величины напряжения, прикладываемого к катушкам статора.

При фиксированной величине тока это означает изменение мощности, передаваемой в нагрузочную (роторную) цепь. Еще один параметр, которым нередко приходится управлять при эксплуатации двигателей рассматриваемого класса – направление вращения вала (реверс).

Для реализации двух этих возможностей применяются различные схемы, построенные на компонентах того или иного типа.

• транзисторные ключи или реле;
• тиристорные элементы;
• электронные тиристоры (симисторы).

Транзисторы применяется сегодня крайне редко, поскольку на смену им пришли более эффективные тиристорные и симисторные управляющие элементы.

С их помощью удается непосредственно изменять величину мощности, отдаваемой в нагрузочную цепочку ротора. Для этих целей применяются современные методы широтно-импульсного или фазоимпульсного управления.

Для получения нужной частоты вращения вала и мощности, отдаваемой непосредственно в нагрузку, используется особый электронный элемент – симистор. Степень его открытия задается подачей на управляющий электрод соответствующего напряжения или последовательности прямоугольных импульсов.

Во втором случае частота следования задает время открытия прямого перехода симистора, что в конечном счете определяет величину мощности, передаваемой в управляемую роторную цепочку.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Конструкции щеточных и бесщеточных серводвигателей

Мы предлагаем рассмотреть основные различия в устройстве коллекторного и бесколлекторного серводвигателя, чтобы понять их преимущества и недостатки. Оба представляют собой электрические моторы, состоящие из ротора (вращающейся части) и статора (неподвижной части). Источником энергии для них служит электричество, подаваемое с трансформатора станка.

Щеточный электромотор

В статоре простейшего щеточного электродвигателя находится пара постоянных магнитов с противоположной полярностью. На его роторе, по бокам от оси, находятся две катушки с витками, намотанными в противоположные стороны. При подаче электричества катушки превращаются в электромагниты с разной полярностью. Притяжение между постоянными магнитами и электромагнитами, которые объясняются силой Лоренца, заставляет ротор вращаться. При их максимальном сближении силы Лоренца ослабевают, а ротор останавливается. Чтобы вращение продолжалось, в момент сближения магнитов происходит переключение полярности обмоток. Ближайшие друг к другу постоянный и электрический магниты уже имеют одноименную полярность, и вращение продолжается за счет их отталкивания. Если такое изменение полярности будет происходить циклически, вращение ротора будет продолжаться, а двигатель будет совершать полезную работу.

За переключение полярности обмоток отвечает коллекторно-щеточный узел. Он состоит из двух элементов:

Коллектор — токопроводящее кольцо, разделенное на сегменты изоляторами. Чаще всего изготавливается из медной проволоки. В роторах большинства щеточных моторов намотано несколько пар катушек, каждая из них подключена к «своим» сегментам на кольце. Щетки — проводники, к которым подводится сетевое питание.

Щетки закреплены на статоре неподвижно и пожимаются пружинами к коллектору. Коммутация (переключение обмоток) выполняется при проворачивании ротора: щетки последовательно соприкасаются с сегментами коллектора.

Щетки изготавливаются из графита, медно-графитного или медно-серебряного сплавов. Они являются самосмазывающимися, то есть имеют сравнительно невысокий коэффициент трения. Эксплуатация коллекторного двигателя требует регулярного осмотра коллекторно-щеточного узла. Щетки — изнашиваемые детали, которым требуется замена с определенной периодичностью. Нарушение электрического контакта при выработке приводит к искрению. Силы трения, возникающие в узле, несколько снижают КПД привода, приводят в нагреву, а для его охлаждения на вал ротора устанавливают крыльчатку (центробежный вентилятор).

Бесщеточный электромотор

В бесщеточном серводвигателе постоянные магниты установлены на роторе, а катушки электромагнитов — на статоре. Чтобы полюса постоянно находились в оппозиции, обмотки статора коммутируются электронными ключами. Питание на катушки подается последовательно, и за согласование магнитные полей постоянного и электрического магнитов отвечает датчик положения, также называемый датчиком Холла. Это общий принцип работы для всех бесщеточных серводвигателей: постоянного и переменного тока.

Ключевое преимущество этого вида моторов заложено в отсутствии изнашиваемых токоведущих частей. Фактически ресурс такого электродвигателя ограничен расчетным сроком службы подшипников. Из-за отсутствия коллекторного узла размеры и вес бесщеточного мотора меньше в сравнении со щеточным аналогичной мощности. Из-за отсутствия трения возможна работа на более высоких частотах вращения. Двигатели без коллектора отличаются более низким уровнем шумов, могут работать в условиях запыленности, в атмосфере горючих газов.

Управление скоростью реализовано на базе электронного регулятора хода. В отличие от щеточных моторов, где для ограничения частоты вращения используется обычный резистор, переводящий избыточную мощность в тепло, здесь нет нагрева.

Сервопривод на основе бесщеточного двигателя имеет свои недостатки:

• требует организации более сложной системы управления на основе контроллера;
• стоит дороже.

Большинство бесколлекторных двигателей имеет трехфазное питание и три датчика положения (по одному на фазу).

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Как подобрать конденсатор для пуска однофазного двигателя

Уже рассказывали, как подобрать конденсатор для пуска трёхфазного двигателя, но методика в нашем случае не годится. Любители рекомендуют произвести попытку входа в так называемый резонанс. При этом потребление агрегата на 9 кВт составит порядка (!) 100 Вт. Это не значит, что вал потянет полную нагрузку, но в холостом режиме потреблением станет минимальным. Как подключить электродвигатель этим способом.

Любители рекомендуют ориентироваться на потребляемый ток. При оптимальном значении емкости мощность станет минимальной. Оценить потребляемый ток можно при помощи китайского мультиметра. А так, подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой выполняют, руководствуясь электрической схемой, указанной на корпусе. Там приведены, например, сведения:

1. Цвет кембрика определённой обмотки.
2. Электрическая схема коммутации для цепи переменного тока.
3. Номинал используемой емкости.

Итак, если брать однофазный асинхронный двигатель, схема подключения чаще указана на корпусе.

• alt=»Подключение трёхфазного двигателя к однофазной сети» width=»120″ height=»120″ />Подключение трёхфазного двигателя к однофазной сети
• alt=»Подключение электродвигателя 380 на 220 Вольт с конденсатором» width=»120″ height=»120″ />Подключение электродвигателя 380 на 220 Вольт с конденсатором
• alt=»Способы подключения электродвигателей» width=»120″ height=»120″ />Способы подключения электродвигателей
• alt=»Ремонт мясорубок своими руками» width=»120″ height=»120″ />Ремонт мясорубок своими руками

Купил компрессор ULTRA C400/50. По началу работал хорошо. Но после перестал запускаться. Не хватало мощности. Только стравив давление в ресивере, двигатель мог раскрутиться. Вскоре двигатель сгорел из-за того или нет, что я увеличил ёмкость конденсатора. По схеме он не отключается от схемы после пуска. Прошу Вас, подскажите, какой ёмкости должен быть конденсатор? После ремонта он снова ленится при запуске. Мощность дв. – 2200 вт. Ёмкость заводского конденсатора – 70 м ф. Скорость вращения 2850 обмин. Заранее благодарен.

Как подключить однофазный конденсаторный двигатель с 3 проводами, если сопротивление всех обмоток одинаковое?

Статья полезная. Есть вопрос.
Имеется однофазный конденсаторный электродвигатель неизвестного типа (нет шильдика) с центробежным выключателем мощностью приблизительно 2,2 кВт. Думаю, что его к частотнику подключать нельзя. Подскажите, пожалуйста, какого типа однофазного двигателя необходимо приобрести для работы с частотным преобразователем?
Спасибо.