Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Коллекторный двигатель — электрическая вращающаяся машина, в которой переключение тока в обмотке якоря выполняется механически: щётки скользят по сегментам коллектора и в нужный момент меняют направление тока в проходящих под полюсом витках. Это поддерживает однонаправленный крутящий момент при работе от источника постоянного тока (а в универсальных моделях — и от переменного однофазного). Принцип работы коллекторного двигателя строится на взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем индуктора по закону Ампера; механический коммутатор (коллектор) выполняет функцию инвертора, которая в современной бесколлекторной (BLDC) технике передана электронному преобразователю. Базовая нормативная база — ГОСТ 16264.3-2018 (общие технические условия на коллекторные двигатели до 1000 Вт), ГОСТ IEC 60034-1-2014 (общая редакция в РФ), ГОСТ 183-74 (шкала степеней искрения), ГОСТ 10159-79 (методы испытаний), ГОСТ 12232-89 и ГОСТ Р 52157-2003 (щётки).
В основе работы коллекторного двигателя лежит сила Ампера: проводник с током, помещённый в магнитное поле, испытывает действие силы, перпендикулярной и направлению тока, и направлению поля. Если из такого проводника сделать рамку и поместить её между полюсами магнита, появится пара сил, создающая вращающий момент.
Однако рамка с постоянным током прокручивается только до положения, в котором плоскость рамки перпендикулярна полю — в этой точке момент равен нулю, и она по инерции переходит дальше. Без переключения направления тока следующий полупериод даст момент противоположного знака, и рамка вернётся обратно. Чтобы получить непрерывное вращение в одну сторону, необходимо менять направление тока в рамке каждый раз, когда она проходит нейтральную линию. Именно эту задачу решает коллектор.
Коллектор представляет собой набор изолированных друг от друга медных пластин (ламелей), закреплённых на валу якоря; каждая пара пластин соединена с концами одной секции обмотки. Неподвижные щётки, прижатые к коллектору, подводят ток от внешнего источника. По мере вращения якоря разные секции обмотки последовательно подключаются к щёткам — направление тока в проводниках, находящихся под одним и тем же полюсом, остаётся постоянным, а сам ток в каждой конкретной секции меняется на противоположный при её переходе через нейтраль.
Коллектор — это механический инвертор: он превращает постоянный ток внешней цепи в переменный ток в секциях якоря и поддерживает направление этого тока относительно полюсов индуктора неизменным.
Коллекторная машина состоит из неподвижной и вращающейся частей.
В машинах большой мощности применяется также компенсационная обмотка, уложенная в пазах главных полюсов и включённая последовательно с якорной обмоткой — она компенсирует реакцию якоря, повышая стабильность коммутации при значительных токах.
Коллектор — цилиндр, набранный из медных пластин (ламелей) трапециевидного сечения, изолированных друг от друга миканитом или другим изоляционным материалом. Один конец каждой пластины имеет специальный выступ (петушок) для пайки или сварки с концами секций якорной обмотки; рабочая поверхность — гладкий цилиндр, по которому скользят щётки. В современных машинах малой мощности применяют пластмассовые коллекторы — медные ламели опрессовываются в пластмассу.
Число пластин коллектора связано с числом секций обмотки якоря и схемой соединения. Коллекторные пластины должны выходить из-под сбегающего края щётки с минимальным электрическим разрывом — это определяет качество коммутации.
Щётки — токопроводящие угольно-графитовые блоки, прижимаемые к рабочей поверхности коллектора пружиной щёткодержателя. По материалу различают несколько групп:
Размеры щёток нормированы ГОСТ 12232-89; стандартный ряд номинальных размеров: 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0; 64,0; 100,0; 125,0 мм.
Замена щёток без подбора по марке (например, угольно-графитовых на медно-графитные или наоборот) ухудшает коммутацию: при неправильной паре «материал щётки — материал коллектора» возрастает искрение, износ становится неравномерным, коллектор быстро покрывается чёрным налётом или подгорает.
Питаются от источника постоянного напряжения. По схеме включения обмотки возбуждения относительно якоря различают:
Конструктивно близки к двигателю постоянного тока последовательного возбуждения, но рассчитаны на работу от однофазной сети переменного тока промышленной частоты. При смене полярности сети одновременно меняется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения — направление вращающего момента сохраняется. Применяются в ручном электроинструменте, бытовых приборах (пылесосы, миксеры, кофемолки, стиральные машины), где нужна высокая частота вращения и компактные габариты.
Частота вращения коллекторного двигателя зависит от подведённого напряжения, тока возбуждения и нагрузки. На этом строятся три классических способа регулирования.
В современном электроинструменте и бытовой технике универсальные коллекторные двигатели регулируются симисторными или транзисторными регуляторами по схемам с фазовым управлением (для AC) или ШИМ (после выпрямления). Реверс реализуется переключением направления тока в якоре или в обмотке возбуждения (но не одновременно: при смене направления тока сразу в обеих обмотках направление момента не меняется).
В момент перехода секции обмотки якоря через нейтральную линию ток в ней меняет направление. Однако индуктивность секции и взаимоиндукция с соседними секциями замедляют изменение тока — возникает реактивная ЭДС, которая на сбегающем краю щётки вызывает искрение.
Меры борьбы с искрением:
ГОСТ 183-74 устанавливает шкалу оценки искрения под сбегающим краем щётки (таблица 4 стандарта).
Если степень искрения для двигателей постоянного тока не оговорена техническими условиями, она при номинальном режиме не должна превышать 1.
Щёточно-коллекторный узел — наиболее ответственная и подверженная износу часть коллекторной машины. Износ имеет двоякую природу:
Признаки правильной работы щёточного узла:
Регламент обслуживания:
В современном электроприводе средней и большой мощности коллекторные двигатели постоянного тока всё чаще заменяются на асинхронные с частотными преобразователями или вентильные (BLDC). В малой мощности универсальные коллекторные сохраняют свою нишу благодаря низкой стоимости, высокой удельной мощности и простоте подключения к однофазной сети.
В обмотке якоря под действием тока возникает магнитное поле, которое взаимодействует с полем индуктора и создаёт вращающий момент. Чтобы момент сохранял направление при вращении, ток в секциях якоря должен переключаться при их прохождении нейтральной линии. Эту задачу выполняет коллектор: набор изолированных медных пластин на валу якоря, по которым скользят неподвижные щётки. Когда якорь поворачивается, разные секции последовательно подключаются к щёткам — направление тока в проводниках под полюсом остаётся постоянным, и крутящий момент действует непрерывно в одну сторону.
Коллектор переключает ток в обмотках якоря в нужный момент, превращая постоянный ток внешней цепи в переменный ток секций якоря с фиксированным направлением относительно полюсов. Щётки подводят ток к коллектору от неподвижных проводов внешнего источника, обеспечивая электрический контакт с вращающимся валом. Вместе они составляют механический инвертор — в современных бесколлекторных двигателях ту же функцию выполняет электронный преобразователь с датчиками положения ротора.
В момент перехода секции через нейтраль ток в ней меняет направление, но из-за индуктивности секции скорость изменения тока ограничена — возникает реактивная ЭДС, которая под сбегающим краем щётки и проявляется как искра. Степени искрения нормированы ГОСТ 183-74: для номинального режима коллекторных машин степень искрения не должна превышать 1 (отсутствие искрения) или 1¼ (слабое точечное). Большие степени допустимы только при кратковременных перегрузках.
Тремя способами: изменением напряжения на якоре (в современном электроприводе — ШИМ через транзисторный ключ, в простых устройствах — фазовым регулированием симистором), изменением тока возбуждения (для расширения диапазона выше номинальной частоты при ослаблении поля), включением резистора в цепь якоря (с потерями энергии, в простых нерегулируемых приводах). Реверс получают переключением направления тока в одной из обмоток — в якоре или возбуждении, но не одновременно в обеих.
Из угольно-графитовых материалов с разным составом и режимом обработки. Угольно-графитовые (Г) — для маломощных низковольтных машин. Электрографитные (ЭГ) — универсальные, после высокотемпературной графитизации. Медно-графитные (МГ) — графит с медным порошком, для низковольтных машин с большими токами (автомобильные стартеры, тяговые двигатели). Размеры щёток нормированы ГОСТ 12232-89; общие технические условия — ГОСТ Р 52157-2003.
Главное отличие — способ коммутации. В коллекторном переключение тока в обмотке якоря выполняется механически через коллектор и щётки. В бесколлекторном (BLDC) обмотки расположены на статоре, на роторе — постоянные магниты; коммутацию выполняет электронный инвертор с датчиками положения ротора (или бездатчиковый алгоритм). Следствия: бесколлекторный имеет более высокий КПД, не имеет искрения и износа щёток, тише, но требует электронного контроллера и сложнее в изготовлении.
Только специально разработанный для этого универсальный коллекторный двигатель. Он конструктивно близок к двигателю постоянного тока последовательного возбуждения и работает от однофазной сети переменного тока за счёт того, что ток одновременно меняет направление и в якоре, и в обмотке возбуждения — направление момента сохраняется. Обычный двигатель постоянного тока с параллельным или независимым возбуждением подключать к переменному току нельзя.
При износе ниже паспортного предела (на щётках предусмотрены метки минимально допустимой длины), при значительном неравномерном износе, при появлении следов подгара или разрушения щётки, при усилении искрения выше нормы. После замены щётки обязательно прирабатывают — шлифовальной шкуркой, обёрнутой абразивной стороной к щётке, по контуру коллектора. Без приработки контактная поверхность плоская и не повторяет цилиндр коллектора, что приводит к локальному искрению и неравномерному износу новой щётки.
Аварийное явление, при котором искрение перерастает в дугу, замыкающую соседние или даже противолежащие щётки через слой ионизированных газов и продуктов горения над коллектором. Причины — резкие перегрузки по току, неудовлетворительная коммутация, нарушение настройки добавочных полюсов, загрязнение коллектора. Круговой огонь приводит к подгару и плавлению ламелей, разрушению щёточного аппарата и часто требует капитального ремонта машины.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.