Как работает коллекторный двигатель постоянного тока: устройство и принцип действия

Коллекторный двигатель постоянного тока работает за счёт силы Ампера, действующей на проводники с током в магнитном поле: ток от источника питания протекает через угольные щётки в обмотку якоря, создаёт вокруг неё магнитное поле, которое отталкивается от поля постоянного магнита или электромагнита статора, и якорь начинает вращаться. Коллектор при этом непрерывно переключает направление тока в обмотках так, чтобы сила Ампера всегда действовала в сторону вращения.

Из чего состоит коллекторный двигатель

Основных узлов в машине четыре. Статор (неподвижная часть) несёт постоянные магниты или обмотки возбуждения, создающие основное магнитное поле. Якорь, он же ротор, представляет собой пакет стальных пластин с пазами, в которых уложены витки медного провода; именно через них протекает рабочий ток. Коллектор — цилиндрическая деталь из медных сегментов, закреплённая на валу якоря и изолированная от него слюдой или пластиком. Щёточный узел состоит из двух или более угольно-графитовых брусков, прижатых пружинами к поверхности коллектора: они передают ток от неподвижных проводов к вращающемуся якорю.

Пакет якоря набирают из тонких (0,35–0,5 мм) пластин электротехнической стали, чтобы снизить потери на вихревые токи. Обмотка якоря укладывается в пазы и пропитывается лаком для надёжной изоляции и защиты от влаги. Коллекторные пластины соединяются с концами обмоток строго по схеме, рассчитанной конструктором: шаг намотки определяет количество витков под нагрузкой и равномерность развиваемого момента.

Принцип коммутации: зачем нужен коллектор

Главная задача коллектора состоит в том, чтобы обеспечить такое переключение тока в обмотках, при котором магнитный момент якоря всегда направлен перпендикулярно полю статора. Именно в этом положении сила взаимодействия полей максимальна.

По мере поворота якоря щётки переходят с одной пластины коллектора на другую. В момент перехода они на долю секунды замыкают соседние пластины, переключая ток в очередной секции обмотки. Этот процесс называется коммутацией. Если коммутация происходит неправильно, между щёткой и пластиной возникает электрическая дуга, которая служит источником искрения и износа. Для борьбы с дугой в мощных машинах добавляют дополнительные полюсы, а иногда сдвигают щётки относительно геометрической нейтрали.

Частота вращения коллекторного двигателя постоянного тока прямо пропорциональна напряжению питания и обратно пропорциональна магнитному потоку статора. Это свойство делает его удобным в регулировании: снижая напряжение, можно плавно уменьшить скорость; ослабляя поток возбуждения, можно увеличить её выше номинала, хотя за счёт снижения момента.

Виды коллекторных двигателей и их применение

В двигателях с независимым возбуждением обмотка статора питается от отдельного источника, что даёт широкие возможности регулирования. В машинах с параллельным возбуждением (шунтовых) обмотка статора подключена параллельно якорю и обеспечивает стабильную скорость при переменной нагрузке. Сериесные, или последовательные, двигатели отличаются очень большим пусковым моментом: именно их устанавливали в трамваях и метровагонах старых серий. Компаундные машины сочетают параллельную и последовательную обмотки, получая промежуточные характеристики.

В промышленности коллекторные двигатели постоянного тока традиционно применяют там, где требуется точное и широкодиапазонное регулирование скорости: прокатные станы, бумагоделательные машины, краны, буровые лебёдки. В последние десятилетия их всё активнее вытесняют асинхронные двигатели с частотными преобразователями, однако в ряде применений коллекторная машина по-прежнему выгоднее по начальной стоимости и простоте обслуживания.

Обслуживание и ресурс

Слабое место конструкции — щёточно-коллекторный узел: угольные щётки изнашиваются и требуют замены каждые 2000–5000 часов работы в зависимости от нагрузки. Поверхность коллектора постепенно окисляется и покрывается нагаром; её периодически полируют стеклянной шкуркой или шлифовальным камнем при вращающемся роторе. Зазор между щёткой и коллектором должен выдерживаться в пределах 0,05–0,1 мм. При усиленном искрении проверяют прилегание щёток, состояние изоляции между пластинами и правильность установки нейтрали.

При правильном уходе коллекторный двигатель служит 15–25 лет. Якорь перематывают при пробое изоляции обмоток, коллектор растачивают при износе пластин сверх допустимого значения.