Un motore a collettore è una macchina elettrica sincrona in cui l'interruttore di corrente nell'avvolgimento e il sensore di posizione del rotore sono realizzati sotto forma dello stesso dispositivo: un gruppo collettore di spazzole. Questo dispositivo è disponibile in molte forme.
Varietà
Un motore a collettore CC di solito include elementi come:
- Rotore a tre poli su cuscinetti a manicotto;
- statore bipolare a magneti permanenti;
- piastre di rame come spazzole del gruppo collettore.
Questo set è tipico per le soluzioni di potenza più basse solitamente utilizzate nei giocattoli per bambini dove non è richiesta una potenza elevata. I motori più potenti includono molti altri elementi strutturali:
- quattro spazzole di grafite a forma di collettore;
- rotore multipolare su cuscinetti volventi;
- Statore a magneti permanenti a quattro poli.
Molto spesso questo tipo di dispositivo motoreutilizzato nelle auto moderne per azionare la ventola del sistema di raffreddamento e ventilazione, pompe lavavetri, tergicristalli e altri elementi. Esistono anche aggregati più complessi.
La potenza di un motore elettrico di diverse centinaia di watt comporta l'utilizzo di uno statore a quattro poli costituito da elettromagneti. Per collegare i suoi avvolgimenti, è possibile utilizzare uno dei diversi metodi:
- In serie con il rotore. In questo caso si ottiene una coppia massima elevata, tuttavia, a causa dell'elevato regime del minimo, il rischio di danni al motore è elevato.
- In parallelo con il rotore. In questo caso, la velocità rimane stabile in condizioni di carico variabili, ma la coppia massima è notevolmente inferiore.
- Eccitazione mista, quando parte dell'avvolgimento è collegata in serie e parte in parallelo. In questo caso, i vantaggi delle opzioni precedenti vengono combinati. Questo tipo viene utilizzato per i motorini di avviamento delle auto.
- Eccitazione indipendente, che utilizza un'alimentazione separata. In questo caso si ottengono le caratteristiche corrispondenti al collegamento in parallelo. Questa opzione è usata raramente.
Il motore del collettore presenta alcuni vantaggi: sono facili da produrre, riparare, utilizzare e la loro durata è piuttosto ampia. Come svantaggi, di solito viene evidenziato quanto segue: i progetti efficaci di tali dispositivi sono generalmente ad alta velocità e a bassa coppia, quindi la maggior parte degli azionamenti richiede l'installazione di riduttori. Questa affermazione è fondatain quanto una macchina elettrica orientata a bassa velocità è caratterizzata da un'efficienza sottostimata, oltre che da problemi di raffreddamento ad essa associati. Questi ultimi sono tali che è difficile trovare una soluzione elegante per loro.
Motore a collettore universale
Questa variante è una specie di macchina a collettore CC in grado di funzionare sia in CC che in CA. Il dispositivo si è diffuso in alcuni tipi di elettrodomestici e utensili manuali grazie alle sue dimensioni ridotte, al peso contenuto, al basso costo e alla facilità di controllo della velocità. Abbastanza spesso trovato come veicolo di trazione sulle ferrovie degli Stati Uniti e dell'Europa. Puoi considerare il dispositivo del motore elettrico.
Caratteristiche del design
Per una migliore comprensione di questo problema, dovresti considerare più in dettaglio ciò che ha costituito la base del dispositivo presentato. Il tipo di motore a collettore universale è un dispositivo a corrente continua con avvolgimenti di eccitazione collegati in serie, ottimizzato per il funzionamento in corrente alternata di una rete di alimentazione domestica. Il motore ruota in una direzione, indipendentemente dalla polarità. Ciò è dovuto al fatto che il collegamento in serie degli avvolgimenti dello statore e del rotore porta a una variazione simultanea dei loro poli magnetici e, per questo motivo, la coppia risultante è diretta in una direzione.
Di cosa è fatto?
Il motore del commutatore CA prevede l'uso del magnetemateriale morbido a bassa isteresi. Per ridurre le perdite di correnti parassite, questo elemento è costituito da piastre impilate con isolamento. Come sottoinsieme delle macchine a collettore CA, è consuetudine distinguere le unità di corrente pulsante, ottenute rettificando la corrente di un circuito monofase senza utilizzare il livellamento dell'ondulazione.
Un motore AC a collettore è spesso caratterizzato dalla seguente caratteristica: nella modalità a bassa velocità, la resistenza induttiva degli avvolgimenti dello statore non consente di consumare corrente oltre determinati limiti, mentre la coppia massima del motore è limitato anche a 3-5 del nominale. L'approssimazione delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante l'uso del sezionamento degli avvolgimenti dello statore - vengono utilizzate uscite separate per collegare la corrente alternata.
Un compito piuttosto difficile consiste nel cambiare un potente collettore di corrente alternata. Nel momento in cui la sezione supera il neutro, il campo magnetico, che è in impegno con il rotore, cambia direzione in senso opposto, e questo provoca la generazione di EMF reattiva nella sezione. Ciò accade quando si utilizza l'alimentazione CA. Nelle macchine a collettore di corrente alternata si verifica anche EMF reattiva. Qui si nota anche l'EMF del trasformatore, poiché il rotore si trova nel campo magnetico dello statore, che pulsa nel tempo. Non è possibile un avviamento regolare del motore del collettore, poiché in questo momento l'ampiezza della macchina sarà massima e, avvicinandosi alla velocità di sincronismo, diminuirà proporzionalmente. Come ulteriormenteaccelerazione, si noterà un nuovo aumento. Per risolvere il problema di commutazione in questo caso, vengono proposti diversi passaggi sequenziali:
- La sezione a giro singolo dovrebbe essere preferita nella progettazione per ridurre il flusso della frizione.
- È necessario aumentare la resistenza attiva della sezione, per cui gli elementi più promettenti sono i resistori nelle piastre del collettore, dove si osserva un buon raffreddamento.
- Il collettore deve essere rettificato attivamente con spazzole della massima durezza e della massima resistenza.
- L'EMF reattiva può essere compensata utilizzando poli aggiuntivi con avvolgimenti in serie e gli avvolgimenti paralleli sono applicabili per la compensazione dell'EMF del trasformatore. Poiché il valore di quest'ultimo parametro è funzione della velocità angolare del rotore e della corrente di magnetizzazione, tali avvolgimenti richiedono l'utilizzo di sistemi di controllo slave, che ancora non esistono.
- La frequenza dei circuiti di alimentazione dovrebbe essere la più bassa possibile. Le opzioni più popolari sono 16 e 25 Hz.
- L'inversione dell'UKD viene eseguita invertendo la polarità degli avvolgimenti dello statore o del rotore.
Pro e contro
Le seguenti condizioni vengono utilizzate per il confronto: i dispositivi sono collegati a una rete elettrica domestica con una tensione di 220 volt e una frequenza di 50 Hz, mentre la potenza del motore è la stessa. La differenza nelle caratteristiche meccaniche dei dispositivi può essere uno svantaggio o un vantaggioa seconda dei requisiti dell'unità.
Quindi, un motore AC commutatore: vantaggi rispetto a un'unità DC:
- La connessione alla rete viene effettuata direttamente e non è necessario utilizzare componenti aggiuntivi. Nel caso di un'unità CC, è necessaria la rettifica.
- La corrente di spunto è molto inferiore, il che è molto importante per i dispositivi utilizzati nella vita di tutti i giorni.
- Se c'è un circuito di controllo, il suo dispositivo è molto più semplice: un reostato e un tiristore. Se il componente elettronico si guasta, il motore del collettore, il cui prezzo dipende dalla potenza e varia da 1.400 rubli o più, rimarrà operativo, ma si accenderà immediatamente a piena potenza.
Ci sono anche alcuni svantaggi:
- A causa delle perdite dovute all'inversione e all'induttanza dello statore, l'efficienza complessiva è notevolmente ridotta.
- Anche la coppia massima è stata ridotta.
I motori elettrici a collettore monofase presentano alcuni vantaggi rispetto a quelli asincroni:
- compattezza;
- mancanza di legame con la frequenza e la velocità della rete;
- coppia di spunto significativa;
- diminuzione e aumento proporzionale della velocità in modalità automatica, nonché aumento della coppia all'aumentare del carico, mentre la tensione di alimentazione rimane invariata;
- Il controllo della velocità può essere agevole su un intervallo abbastanza ampio modificando la tensione di alimentazione.
Svantaggi rispetto al motore a induzione
- quando il carico cambia, la velocità sarà instabile;
- il gruppo spazzole-collettore rende il dispositivo poco affidabile (la necessità di utilizzare le spazzole più rigide riduce notevolmente la risorsa);
- La commutazione CA provoca una forte scintilla sul collettore e si formano interferenze radio;
- livello di rumore elevato durante il funzionamento;
- il collettore è caratterizzato da un gran numero di parti, il che rende il motore piuttosto massiccio.
Il moderno motore a collettore è caratterizzato da una risorsa paragonabile alle capacità degli ingranaggi meccanici e dei corpi di lavoro.
Altri confronti
Confrontando collettori e motori asincroni della stessa potenza, indipendentemente dalla frequenza nominale di questi ultimi, si ottiene una caratteristica diversa. Questo sarà descritto più dettagliatamente di seguito. Il motore elettrico del collettore universale implementa una caratteristica "morbida". In questo caso il momento è direttamente proporzionale al carico sull'albero, mentre i giri sono ad esso inversamente proporzionali. La coppia nominale è solitamente inferiore al massimo di 3-5 volte. La limitazione del minimo è caratterizzata esclusivamente da perdite nel motore, mentre accendendo un'unità potente senza carico, può crollare.
La caratteristica di un motore asincrono è "ventilatore", cioè l'unità mantiene una velocità prossima a quella nominale, aumentando la coppia il più bruscamente possibile con una leggera diminuzione della velocità. Se stiamo parlando di un cambiamento significativo in questo indicatore, la coppia del motore non solo non aumenta, ma diminuisce anchea zero, che porta a un arresto completo. Il regime del minimo è leggermente superiore al valore nominale, pur rimanendo costante. Una caratteristica di un motore a induzione monofase è un'ulteriore serie di problemi associati all'avviamento, poiché non sviluppa la coppia di spunto in condizioni normali. Il campo magnetico di uno statore monofase, pulsante nel tempo, si scompone in due campi con fasi opposte, il che rende impossibile l'avvio senza ogni sorta di accorgimenti:
- capacità che crea una fase artificiale;
- groove diviso;
- resistenza attiva che forma una fase artificiale.
Teoricamente, un campo rotante antifase riduce l'efficienza massima di un'unità asincrona monofase al 50-60% a causa di perdite in un sistema magnetico sovrasaturato e avvolgimenti carichi di correnti di controcampo. Si scopre che ci sono due macchine elettriche sullo stesso albero, mentre una funziona in modalità motore e la seconda in modalità opposizione. Si scopre che i motori elettrici a collettore monofase non conoscono concorrenti nelle rispettive reti. Questo è ciò che meritava così tanta popolarità.
Le caratteristiche meccaniche del motore elettrico gli conferiscono un certo ambito di utilizzo. Le basse velocità, limitate dalla frequenza della rete CA, rendono le unità asincrone di potenza simile grandi per peso e dimensioni rispetto ai collettori universali. Tuttavia, quando incluso nel circuito di potenza dell'inverter ad alta frequenza, è possibile ottenere dimensioni e peso comparabili. Resta la rigidità della caratteristica meccanicamotore, a cui si aggiungono le perdite di conversione della corrente, oltre all'aumento della frequenza, aumentano le perdite magnetiche e induttive.
Analogici senza gruppo collettore
Un motore AC a collettore ha un analogo che gli è più vicino in termini di caratteristiche meccaniche: uno a valvola, in cui il gruppo spazzola-collettore è stato sostituito con un inverter dotato di sensore di posizione del rotore. Come analogo elettronico di questa unità viene utilizzato il seguente sistema: un raddrizzatore, un motore sincrono con un sensore di posizione angolare del rotore, combinato con un inverter. Tuttavia, la presenza di magneti permanenti nel rotore riduce la coppia massima mantenendone le dimensioni.
Principio di funzionamento
Il dispositivo del motore elettrico del collettore dimostra come il dispositivo converte l'energia elettrica in energia meccanica e viceversa. Questo indica la sua capacità di essere utilizzato come generatore. Vale la pena considerare più in dettaglio il motore elettrico del collettore, il cui diagramma dimostrerà le sue capacità.
Le leggi della fisica affermano chiaramente che quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso un conduttore in un campo magnetico, viene esercitata una certa forza su di esso. In questo caso funziona la regola della mano destra, che ha un impatto diretto sulla potenza del motore elettrico. Il motore del commutatore funziona esattamente secondo questo principio di base.
La fisica ci insegna che la basecreare le cose giuste sono piccole regole. Ciò è servito come base per la creazione di un telaio rotante in un campo magnetico, che ha permesso di creare un motore elettrico collettore. Il diagramma mostra che una coppia di conduttori è posta in un campo magnetico, la cui corrente è diretta in direzioni opposte, e quindi anche le forze. La loro somma fornisce la coppia richiesta. Il dispositivo di un motore elettrico è molto più complicato, poiché ad esso è stato aggiunto un intero complesso di elementi necessari, in particolare un collettore che fornisce la stessa direzione della corrente sui poli. La corsa irregolare è stata eliminata posizionando più bobine sull'indotto, mentre i magneti permanenti sono stati sostituiti da bobine, eliminando la necessità di corrente continua. Ciò ha permesso di dare alla coppia un'unica direzione.
Riparazione fai-da-te del motore elettrico
Come qualsiasi altro dispositivo, questa unità può guastarsi per qualsiasi motivo. Se il motore elettrico, la cui foto potete vedere nella nostra recensione, non riesce a fare il numero di giri richiesto, o l'albero non gira all'avvio, è necessario controllare se i suoi fusibili sono bruciati, se ci sono rotture il circuito elettrico dell'indotto, se il dispositivo stesso è sovraccarico. Molto spesso, il sovraccarico provoca un consumo anomalo di corrente. Per eliminare questo malfunzionamento è necessario ispezionare accuratamente la trasmissione meccanica e il freno, quindi eliminare le cause dei sovraccarichi.
Il design del motore elettrico è tale che quando si avvia, si consumauna certa quantità di corrente. Se è maggiore del valore nominale, è necessario verificare la coerenza del collegamento degli avvolgimenti in parallelo e in serie l'uno rispetto all' altro, nonché rispetto al reostato. Quando vengono eseguite riparazioni fai-da-te di motori elettrici, spesso vengono commessi errori abbastanza specifici. In particolare l'avvolgimento in derivazione può essere collegato in serie alla resistenza elettrica del reostato, oppure connesso ad un polo della rete elettrica.
Il controllo della coerenza della connessione dell'avvolgimento di eccitazione di lavoro viene effettuato collegando una delle estremità dell'avvolgimento di derivazione con l'estremità dell'ancora e la seconda - con un conduttore elettrico proveniente dall'arco del reostato. Solitamente la sezione di questo conduttore elettrico è leggermente più piccola degli altri, quindi può essere rilevato senza un megger. Dopo aver acceso l'interruttore di alimentazione e spostato il cursore del reostato nella posizione centrale, l'alimentazione viene fornita alle estremità libere. Per mezzo di una spia di controllo, viene eseguito un controllo sequenziale di tutte le estremità conduttive. Quando ne tocchi uno, la lampada dovrebbe accendersi, ma non con l' altro. Ecco come viene testato l'intero motore. Il prezzo del lavoro svolto dipenderà dal tipo di guasto dell'unità.
Se durante il funzionamento del dispositivo si verifica un numero di giri inferiore a quello nominale, le ragioni principali di ciò sono solitamente le seguenti: bassa tensione di rete, sovraccarico del dispositivo, grande corrente di eccitazione. Se si nota un'inoperabilità di natura opposta, è necessario controllare il circuito di eccitazione, eliminare tutti i difetti rilevati, dopodichéè possibile impostare il valore normale della corrente di eccitazione. In alcuni casi potrebbe essere necessario riavvolgere i motori.
Quando la causa dell'inoperabilità dell'unità è l'errato accoppiamento degli avvolgimenti di campo in parallelo e in serie, è necessario ripristinare il corretto ordine di collegamento. Se non è possibile eliminare un problema del genere in modo semplice, potrebbe essere necessario riavvolgere i motori elettrici. È inoltre necessario verificare l'entità della tensione nella rete elettrica, poiché con un aumento del suo valore nominale, i giri del dispositivo possono aumentare.
