Универсальные коллекторные двигатели

Для привода электроинструмента, швейных машин, небольших вентиляторов, пылесосов, в устройствах автоматики и т.д. находят применение коллекторные двигатели малой мощности, рассчитанные на питание от сети как постоянного, так и однофазного переменного тока частотой 50 Гц. Универсальные коллекторные двигатели устроены принципиально так же, как двухполюсные двигатели постоянного тока.

Для получения большого вращающего момента угол сдвига фаз между магнитным потоком возбуждения и током якоря должен быть минимальным. С этой целью универсальные двигатели изготовляются с последовательной обмоткой возбуждения.

Вращающий момент двигателей и при питании переменным током направлен все время в одну и ту же сторону, так как одновременно с изменением направления потока происходит изменение направления тока якоря. Реверс двигателей производится путем переключения обмотки якоря либо обмотки возбуждения.

Так как при питании переменным током возникает пульсирующий магнитный поток, то магнитопровод статора изготовляется в отличие от двигателей постоянного тока из отдельных стальных листов.

Достоинство универсальных коллекторных двигателей по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями состоит в том, что они позволяют при переменном токе частотой 50 Гц получать частоты вращения более 3000 об/ мин.

К недостаткам по сравнению с двигателями постоянного тока следует отнести более низкий КПД и ухудшенные условия коммутации.

Электрические машины постоянного тока

Принцип действия и устройство машин постоянного тока

Электрическая машина состоит из двух главных частей: магнитной системы, создающей магнитное поле, и якоря - стального сердечника с обмоткой, в которой при изменении взаимного расположения обеих частей возникает э. д. с.

Работа электрической машины постоянного тока основана на единстве закона электромагнитной индукции и закона электромагнитного взаимодействия. Принцип действия ее заключается в том, что при передвижении проводника длиной l перпендикулярно магнитным линиям в поле с индукцией В со скоростью v в нем по закону электромагнитной индукции возникает э. д. с.

е= В l v sinωt

Если концы проводника замкнуты через сопротивление нагрузки, то э. д. с. е создает ток i. Направления э. д. с. и тока совпадают

Работа двигателя основана на следующем принципе: если к проводнику, находящемуся в магнитном поле, подвести напряжение, т.е.. пропустить через него ток, то проводник под действием возникающей силы F начнет перемещаться. Вследствие перемещения проводника в магнитном поле в нем возникает э. д. с., проявляющаяся как реакция подведенному напряжению. Э. д. с. двигателя е всегда направлена навстречу току i.

Электродвижущая сила машины постоянного тока

При вращении якоря машины в магнитном поле в его обмотке согласно закону электромагнитной индукции наводится э. д. с. независимо от того, работает ли машина в режиме генератора или в режиме электродвигателя. При этом в проводниках обмотки якоря, расположенных под разными полюсами (рис.), индуцируется э. д. с. различного направления, но благодаря симметрии эти э. д. с. равны по величине. Поскольку обмотка якоря всегда замкнута, то сумма э. д. с. обмотки всегда будет равна нулю Следовательно, при разомкнутой внешней цепи сила тока в обмотке якоря также будет равна нулю. При замкнутой же внешней цепи проводники, расположенные под разноименными полюсами, образуют параллельные ветви, число которых равно числу полюсов для простой петлевой обмотки и двум

Рисунок Упрощенная схема генератора

—для простой волновой обмотки. В рассматриваемой схеме проводники образуют две параллельные ветви, каждая из которых будет давать во внешнюю цепь ток, равный половине силы тока якоря (рис. ). Из рисунка видно, что проводники, образующие какую-либо одну параллельную цепь, включены между щетками машины и э. д. с. их действуют согласованно. Следовательно, э. д. с. машины в каждый момент времени равна сумме э. д. с. этих проводников

Так как э. д. с. машины равна сумме э. д. с. проводников одной параллельной ветви обмотки якоря, то, обозначая N общее число активных проводников якоря, а а—число пар параллельных ветвей, найдем

Е = е

Поскольку линейная скорость вращения якоря v и магнитный поток машины Ф соответственно равны:

v= Ф =В_ср τ•l,

то с учетом этих соотношений имеем

E=B_ср l

В готовой машине р, N и а постоянны, поэтому, заменив все постоянные величины одним коэффициентом С = , окончательно получим E = CωФ

где Ф, ω — соответственно магнитный поток (Вб) и угловая скорость машины (рад/с);

Е— электродвижущая сила машины (В).

Однако в большинстве случаев приходится вместо угловой скорости ω пользоваться частотой вращения n в об/мин. Поскольку , то уравнение э. д. с. запишется следующим образом: Е= С_еnФ,

где С_е= — коэффициент, зависящий от конструктивных данных машины.

Выражение для э. д. с. готовой машины зависит от частоты вращения и магнитного потока. Следовательно, при работе машины ее э. д. с. можно менять или путем изменения частоты вращения якоря или величины магнитного потока.

При работе машины в режиме генератора э. д. с. Е больше напряжения U на величину падения напряжения I_яr_я в цепи якоря. Следовательно, уравнение электрического равновесия для генератора запишется так:

U = E – I_яr_я,,

где U - напряжение на зажимах генератора;

I_я - сила тока в цепи якоря;

r_я – сопротивление цепи якоря, включающее сопротивление обмотки якоря, обмотки добавочных полюсов и переходного контакта щеток и коллектора.

При работе машины в режиме электродвигателя э. д. с. Е, называемая обратной или противодействующей, меньше напряжения Е на величину падения напряжения в цепи якоря. Следовательно, уравнение электрического равновесия для электродвигателя можно записать так:

U = E + I_яr_я

Уравнения электрического равновесия или, другими словами, уравнения равновесия

э. д. с. характеризуют первое основное условие работы машины, которое называется условием равновесия э. д. с. Вторым условием работы машины, как это будет показано ниже, является условие равновесия моментов.