Jak vypadá kartáčovaný motor?

Komutátorový motor – synchronní [1] elektrický stroj, ve kterém jsou snímač polohy rotoru a proudový spínač ve vinutí totéž zařízení – kartáč-sběrná jednotka.

Vylepšete prosím článek v souladu s pravidly pro psaní článků.

Odrůdy

Stejnosměrný kartáčovaný motor

Nejmenší motory tohoto typu (jednotky wattů) obsahují ve skříni:

• třípólový rotor na kluzných ložiskách;
• kolektorová jednotka dvou kartáčů – měděné desky;
• bipolární stator vyrobený z permanentních magnetů.

Používají se především v dětských hračkách (provozní napětí 3–9 voltů).

Výkonnější motory (desítky wattů) většinou mají

• vícepólový rotor na valivých ložiskách;
• sběrná jednotka čtyř grafitových kartáčů;
• čtyřpólový stator vyrobený z permanentních magnetů.

Toto je konstrukce většiny elektromotorů v moderních automobilech (provozní napětí 12 voltů): pohon ventilátorů chladicích a ventilačních systémů, stěračů, čerpadel ostřikovačů.

Motory o výkonu stovek wattů na rozdíl od předchozích obsahují čtyřpólový stator z elektromagnetů. Vinutí statoru lze připojit několika způsoby:

• v sérii s rotorem (tzv sekvenční buzení),
  • výhoda: vysoký maximální točivý moment,
  • nevýhoda: vysoké volnoběžné otáčky, které mohou poškodit motor.
  • výhoda: větší stabilita rychlosti při změně zatížení,
  • nevýhoda: nižší maximální točivý moment
  • do jisté míry kombinuje výhody předchozích typů. Příkladem jsou startéry automobilů.
  • Charakteristika je podobná paralelnímu zapojení, ale lze ji obvykle upravit. Málo používané.

  Obecnými výhodami kartáčovaných stejnosměrných motorů je snadná výroba, provoz a opravy a poměrně dlouhá životnost.

  Mezi nevýhody patří skutečnost, že efektivní konstrukce (s vysokou účinností a nízkou hmotností) takových motorů jsou nízkokroucené a vysokootáčkové (stovky a tisíce otáček za minutu), takže u většiny pohonů (kromě ventilátorů a čerpadel) jsou vyžadovány převodovky. . Toto tvrzení není zcela pravdivé, ale je rozumné. Elektrický stroj stavěný pro nízkou rychlost má obecně nízkou účinnost a související problémy s chlazením. S největší pravděpodobností problém spočívá tak, že pro něj neexistují žádná elegantní řešení.

  Univerzální komutátorový motor

  

  Schéma jedné z opcí UKD. Provoz na stejnosměrný i střídavý proud je povolen

  Univerzální komutátorový motor (UCM) je typ stejnosměrného komutátorového stroje, který může pracovat na stejnosměrném i střídavém proudu. Je široce používán v ručním elektrickém nářadí a v některých typech domácích spotřebičů díky svým malým rozměrům, nízké hmotnosti, snadnému ovládání otáček a relativně nízké ceně. Široce používaný na železnicích v Evropě a USA jako trakční stroj.

  Návrhové prvky

  Přesněji řečeno, univerzální komutátorový motor je stejnosměrný komutátorový motor s budicími (statorovými) vinutími zapojenými do série, optimalizovaný pro provoz na střídavý proud domácí elektrické sítě. Tento typ motoru se bez ohledu na polaritu přiváděného napětí otáčí jedním směrem, protože v důsledku sériového zapojení vinutí statoru a rotoru dochází současně ke změně pólů jejich magnetických polí a výsledný točivý moment zůstává směrován v jeden směr. Ve skutečnosti existuje malý fázový posun, který způsobuje vznik protisměrného krouticího momentu, ale je malý, vyvážení vinutí nejen zlepšuje spínací podmínky, ale také snižuje tento krouticí moment. (M.P. Kostenko, Elektrické stroje). Pro potřeby železnic byly vybudovány speciální nízkofrekvenční měnírny střídavého proudu – 16 Hz v Evropě, 25 Hz v USA. V 50. letech 50. století se německo-francouzskému konsorciu výrobců elektrických strojů podařilo postavit jednofázový trakční stroj průmyslové frekvence (50 Hz). Podle M.P. Kostenko Electric machines, elektrická lokomotiva s jednofázovými komutátorovými stroji na XNUMX Hz, byla testována v SSSR, kde získala nadšeně negativní hodnocení odborníků. (Citace ze zdroje: „Mají asymetrii magnetického systému – zlomky milimetru, my máme zlomky centimetru. Naše strojní kartáče jsou malované cihly, mají high-tech proces (toto je přednáškový materiál od I.B. Bityutského, Speciální elektrické stroje Lipecké polytechnické univerzity) [zdroj?]).

  Pro možnost provozu na střídavý proud se používá stator z měkkého magnetického materiálu s nízkou hysterezí (odolností proti přepólování magnetizace). Pro snížení ztrát vířivými proudy je stator vyroben z izolovaných desek. Podskupina strojů na sběr střídavého proudu (ACM) jsou stroje s „pulzujícím proudem“, které se získávají usměrněním proudu jednofázového obvodu bez vyhlazení vlnění (železnice). Zde stojí za zmínku rozdíl v kultuře elektrotechnického průmyslu – pokud si Evropa zvolila čistě kolektorový stroj, SSSR preferoval „hybrid buldoka s nosorožcem“ – stroj, kde proud neměnil polaritu, ale kolísal od nula až maximum. (I.B. Bityutsky, Lipecká polytechnická univerzita).

  Vlastností (ve většině případů výhodou) provozu takového motoru na střídavý proud (a nikoli na stejnosměrný proud o stejném napětí) je to, že v režimu nízkých otáček (rozběh a přetížení) omezuje indukční reaktance statorových vinutí spotřeba proudu a podle toho maximální točivý moment motoru (odhadovaný) až 3–5 od jmenovitého (oproti 5–10 při napájení stejného motoru stejnosměrným proudem). Pro sblížení mechanických charakteristik motorů pro všeobecné použití lze použít dělení statorových vinutí – samostatné svorky (a menší počet závitů statorového vinutí) pro připojení střídavého proudu.

  Obtížným problémem je otázka spínání výkonného střídavého komutátorového stroje. V okamžiku komutace (průchod neutrální sekce) změní magnetické pole spřažené s sekcí kotvy (rotoru) svůj směr opačný, což způsobí generování tzv. reaktivního EMF v sekci. To je případ stejnosměrného proudu. V k.m.p.t. se také vyskytuje. Ale protože kotva (rotor) je umístěna v magnetickém poli statoru, které pulzuje v čase, dochází ve spínané sekci také k EMF transformátoru. Jeho amplituda bude maximální v okamžiku startu stroje, úměrně se sníží s přibližováním se k synchronizační rychlosti (v bodě synchronizace půjde na nulu) a poté, jak stroj zrychlí, se opět proporcionálně zvýší. problém s přepínáním C.m.t lze řešit následovně:

  • Konstrukční tendence směřuje k jednootáčkové sekci (snížení průtoku spojky).
  • Zvýšení aktivního odporu sekce. Nejslibnější jsou podle M.P. Kostenka odpory v „kohoutech“ kolektorových desek, kde jsou dobře chlazené.
  • Aktivní broušení komutátoru kartáči o maximální tvrdosti (vysoké opotřebení) a nejvyšší možné odolnosti.
  • Použití přídavných pólů se sériovým vinutím pro kompenzaci reaktivního emf. a paralelní – pro kompenzaci EMF transformátoru. Ale protože velikost EMF transformátoru je funkcí úhlové rychlosti (kotvy) rotoru a magnetizačního proudu stroje, vyžadují taková vinutí podřízený řídicí systém, který nebyl dodnes vyvinut.
  • Aplikace nízkofrekvenčních napájecích obvodů. Oblíbené frekvence jsou 16 a 25 Hz.

  Obrácení UCD se provádí přepnutím polarity spínání na vinutí pouze statoru nebo pouze rotoru.

  Výhody a nevýhody

  Srovnání je uvedeno pro případ připojení k domácí jednofázové elektrické síti 220 voltů 50 Hz. a stejný výkon motoru. Rozdíl v mechanických vlastnostech motorů („měkkost-tvrdost“, maximální točivý moment) může být výhodou i nevýhodou v závislosti na požadavcích na pohon.

  Výhody ve srovnání s kartáčovaným DC motorem:

  • Přímé připojení k síti, bez dalších komponentů (stejnosměrný motor vyžaduje minimálně usměrnění).
  • Nižší startovací (přetížení) proud (a točivý moment), což je vhodnější pro domácí zařízení.
  • Jednodušší řídicí obvod (pokud je k dispozici) je tyristor (nebo triak) a reostat. Pokud dojde k poruše elektronické součástky, motor (zařízení) zůstane funkční, ale okamžitě se zapne na plný výkon.

  Omezení V porovnání s kartáčovaným DC motorem:

  • Nižší celková účinnost kvůli ztrátám způsobeným indukčností a reverzací magnetizace statoru.
  • Nižší maximální točivý moment (může být nevýhoda).

  Výhody ve srovnání s asynchronním motorem:

  • Rychlý a není vázán na frekvenci sítě.
  • Kompaktnost (i s ohledem na převodovku).
  • Větší startovací moment.
  • Automatické proporcionální snížení otáček (téměř na nulu) a zvýšení točivého momentu s rostoucí zátěží (při konstantním napájecím napětí) – „měkká“ charakteristika.
  • Možnost plynulé regulace otáček (kroutícího momentu) ve velmi širokém rozsahu – od nuly po jmenovitou hodnotu – změnou napájecího napětí.

  Omezení ve srovnání s asynchronním motorem:

  • Nestabilita otáček při změně zátěže (tam, kde je to důležité).
  • Přítomnost jednotky sběrače kartáčů a v souvislosti s tím:
    • Relativně nízká spolehlivost (životnost. Těžké spínací podmínky vyžadují použití extrémně tvrdých kartáčů, což snižuje životnost.
    • Silné jiskření komutátoru v důsledku přepínání střídavého proudu a souvisejícího rádiového rušení
    • Vysoká hladina hluku
    • Poměrně velké množství rozdělovacích (a tedy i motorových) dílů

    Je třeba poznamenat, že v moderních domácích zařízeních je životnost elektromotoru (jednotka kartáč-komutátor) srovnatelná s životností pracovních částí a mechanických převodů.

    Srovnání s asynchronním motorem

    Motory (UKD a asynchronní) o stejném výkonu, bez ohledu na jmenovitou frekvenci asynchronního motoru, mají různé mechanické vlastnosti:

    • UKD – „měkká“ charakteristikatočivý moment je přímý a otáčky jsou nepřímo úměrné zatížení hřídele (spotřebě energie) – téměř lineárně – od volnoběhu po plné brzdění. Jmenovitý točivý moment je zvolen přibližně 3-5krát menší než maximální. Volnoběžné otáčky jsou omezeny pouze ztrátami v motoru a při zapnutí bez zátěže mohou silný motor zničit.
    • Asynchronní motor – charakteristika „ventilátor“. — motor udržuje otáčky blízké jmenovitým otáčkám, prudce (v desítkách procent) zvyšuje točivý moment s mírným poklesem otáček (několik procent). Při výrazném poklesu otáček (do kritického bodu) se točivý moment motoru nejen nezvýší, ale klesne na nulu, což způsobí úplné zastavení. Volnoběžné otáčky jsou konstantní a mírně vyšší než jmenovité otáčky.
    • Jednofázový asynchronní motor nabízí další „kytici“ problémů spojených se spuštěním, protože za normálních podmínek se rozběhový moment nevyvíjí. Magnetické pole jednofázového statoru, pulzující v čase, je matematicky rozloženo na dvě protifázová pole, takže startování není možné bez různých triků:
    • dělená drážka
    • kapacita vytvářející umělou fázi
    • vytvoření umělé fáze aktivního odporu

    Protifázové točivé pole teoreticky snižuje maximální účinnost jednofázového asynchronního motoru na 50–60 % v důsledku ztrát v přesyceném magnetickém systému a aktivních ztrát ve vinutích, která jsou zatížena „protipolními“ proudy. Ve skutečnosti na jedné hřídeli „sedí“ dva elektrické stroje, z nichž jeden pracuje v režimu motoru a druhý v režimu protispínání.

    V jednofázových sítích tedy c.m.p.t. nezná své konkurenty.

    Mechanické vlastnosti určují především (různé) oblasti použití těchto typů motorů.

    Díky nízkým otáčkám, omezeným frekvencí střídavé sítě, mají asynchronní motory stejného výkonu podstatně větší hmotnost a rozměry než motory ultrazvukové. Pokud je asynchronní motor napájen z měniče (invertoru) vysokou frekvencí, pak se hmotnost a rozměry obou strojů stávají srovnatelnými. Přitom tuhost mechanických charakteristik zůstává, přibývají ztráty pro převod proudu a v důsledku zvýšení frekvence se zvyšují indukční a magnetické ztráty (celková účinnost klesá).

    Analogy bez kolektorové jednotky

    Nejbližším analogem UKD z hlediska mechanických vlastností je bezkomutátorový elektromotor (ventilový elektromotor, ve kterém je elektronickým analogem jednotky kartáč-komutátor invertor se snímačem polohy rotoru (RPS).

    Elektronickým analogem univerzálního komutátorového motoru je systém: usměrňovač (můstek), synchronní elektromotor se snímačem úhlové polohy rotoru (úhlový snímač) a invertor (jinými slovy ventilový motor s usměrňovačem).

    Díky použití permanentních magnetů v rotoru však bude maximální točivý moment bezkomutátorového motoru se stejnými rozměry menší.

    См. также

    • Indukční motor
    • Bezkartáčový motor
    • Ventilový motor
    • Elektrický motor

    Poznámky

    1. ↑http://edu.dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/DEPEN/ELMASH/EMASH/METOD/15/frame/18.htm

    V mnoha průmyslových odvětvích jsou k provádění technologických procesů vyžadovány střídavé komutátorové motory: jednofázové a třífázové komutátorové elektromotory. Strukturálně se prakticky neliší od svých DC „bratrů“. Mechanismus AC motoru se skládá z:

    • rotor se smyčkovým (paralelním) nebo vlnovým (symetrickým) vinutím;
    • kolektor, ke kterému je připojeno vinutí;
    • stator vyrobený z ocelových elektrických desek.

    Výhody a nevýhody kartáčovaných střídavých motorů

    Jednotky tohoto typu úspěšně řeší problémy, které jsou závislé na provozu elektrického pohonu. Jejich hlavní výhodou je možnost plynule regulovat rychlost v režimu úspory energie.

    Nejsou však vhodné pro použití v každé výrobě z důvodu:

    • složitost jejich výroby;
    • vysoké náklady;
    • potřeba pracně náročné údržby kartáčového mechanismu a komutátoru;
    • špatné proudové podmínky ve spínání obvodu kotvy.

    Jednofázové komutátorové motory

    Jednofázový motor obsahuje tři vinutí. První je umístěn na elektrických sloupech a plní funkci buzení. Druhé (kompenzační vinutí) je umístěno ve štěrbinách rotoru a kompenzuje negativní jev reakce kotvy. Přídavné vinutí je určeno pro přídavné póly a je šuntováno pomocí aktivního odporu.

    Při vybuzení hlavního vinutí se generují kompenzační proudy a magnetické pole, které vytváří krouticí moment. Jeho směr se shoduje se směrem rotace magnetického pole. Přepnutím svorek budícího vinutí můžete změnit směr točivého momentu.

    Kompenzační vinutí snižuje indukční a indukční odpor vinutí kotvy a také zvyšuje účiník motoru. Díky přídavným pólům se zlepšuje kvalita spínání. Rotační EMF kompenzuje jalový a transformátorový EMF. Snadnosti startování je dosaženo vzájemnou kompenzací EMF. Změna provozního režimu a odchylka aktuálních parametrů od zadaných hodnot vede k obtížnému startování jednotky.

    Jednofázové motory jsou považovány za univerzální zařízení, protože je lze připojit k sítím stejnosměrného i střídavého proudu. Používají se jako pohony v automatizačních systémech, domácích spotřebičích a elektrickém nářadí. Nejběžnější jsou modely s nízkým výkonem (do 150W).

    Třífázové komutátorové motory

    Tyto jednotky jsou připojeny do třífázové sítě. Jejich budicí vinutí má vlastnosti bočníkového motoru. Rotor motoru dodává energii do mechanismu. Hlavní provozní funkci plní rotorové vinutí připojené k síti střídavého napětí pomocí sběracích kroužků proudu. Statorové vinutí, umístěné ve štěrbinách rotoru spolu s hlavním vinutím, je ve všech fázích připojeno ke komutátoru motoru. Každá fáze odpovídá určitým kartáčům, které se od sebe pohybují a pohybují pomocí pohyblivých traverz.

    Pro provoz mechanismu v režimu asynchronního motoru jsou kartáče instalovány na stejných deskách komutátoru. Na rozdíl od asynchronní jednotky však v komutátorovém motoru hraje roli primárního vinutí rotorové vinutí a roli sekundárního vinutí statorové vinutí. EMF v mechanismu vzniká oddálením kartáčů. EMF způsobuje proud ve statoru, který vytváří a určuje rotační moment mechanismu.

    Pro regulaci otáček se do kolektorového okruhu přivádí chybějící výkon. Pomocí transformátorového spojení mezi vinutími se výkon statoru vrací do elektrické sítě a vytváří efekt, který umožňuje regulovat počet otáček hřídele v ekonomickém režimu. Když se kartáče vzdálí o určitou vzdálenost, rychlost rotace se odpovídajícím způsobem zvýší nebo sníží.

    Pokud jsou kartáče, odpovídající jejich fázím, posunuty, emf se mění ve fázi. To umožňuje regulovat cosφ. Jeho kvalita se zvyšuje, když je hodnota otáček menší než synchronní a kartáče jsou posunuty ve směru opačném ke směru pohybu rotoru.

    Elektromotory pracující z třífázové sítě se nejčastěji používají v polygrafii (na rotačních strojích), textilním a lehkém průmyslu (na spřádacích strojích) a hutnictví (na kovoobráběcích strojích).

    Hlavní nevýhodou třífázových jednotek jsou špatné spínací podmínky. To způsobuje potíže při získávání EMF transformátoru, protože zvýšený výkon vede ke zvýšenému magnetickému toku. Proto je ve vzácných případech pro zvýšení EMF a ekonomickou regulaci počtu otáček hřídele do obvodu zaveden asynchronní elektromotor.

    Přečtěte si více

    Jak se jmenuje nejkrásnější květina na světě?