Универсальный коллекторный двигатель

Опубликовано 18.05.2013 Ведущий Филипп Болгов

С момента изобретения русским ученым Борисом Семеновичем Якоби в 1838 году первого коллекторного электродвигателя прошло уже очень много времени, однако с 70-х годов 19 века, получив к тому времени огромное количество усовершенствований, данная электрическая машина практически не претерпела изменений и верой и правдой служит нам по сей день.

Устройство коллекторного двигателя, как наиболее простого и понятного, изучается в школе, однако чаще всего в качестве примера выбирают двигатель с постоянными магнитами в статоре. Хотя в быту чаще всего применяется универсальный коллекторный двигатель – в статоре которого находятся электромагниты.

Давайте подробнее рассмотрим этот тип электродвигателей.

Универсальный коллекторный электродвигатель — это разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать не только на постоянном, но и на переменном токе. Благодаря этому, а также из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов и относительно низкой себестоимости он получил большое распространение в ручном электроинструменте, бытовой технике и многих других устройствах.


Так как такой двигатель имеет две и более обмотки, которые необходимо подключить к источнику питания, то соответственно и схем подключения может быть несколько:
Можно подключить обмотки статора последовательно с ротором (такой двигатель будет называться с последовательным возбуждением). Преимуществом данной схемы подключения будет большой максимальный момент, однако появится и существенный недостаток - большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель при включении его без нагрузки, т.к. обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе.
Соответственно обмотки можно соединить параллельно (параллельное возбуждение) и получить при этом большую стабильность оборотов при изменении нагрузки, но при этом меньший максимальный момент.
В некоторых случаях обмотки имеют отдельные источники питания (независимое возбуждение), при этом характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться.
Ну, и, конечно же, часть обмоток статора можно соединить параллельно с ротором, а часть последовательно (смешанное возбуждение), такое соединение до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов. Примером такого двигателя может служить автомобильный стартер.

Конечно же, УКД имеет и общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока - простота изготовления, эксплуатации и ремонта, и достаточно большой ресурс.
Основным преимуществом универсальных коллекторных двигателей по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями является то, что они развивают значительный начальный пусковой момент пари использовании последовательного возбуждения и позволяют без применения повышающего редуктора получить скорость якоря значительно выше синхронной. При этом такой двигатель легко реверсировать, для этого достаточно переполюсовать обмотки ротора либо статора.
К общим недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы.

Универсальный коллекторный двигатель имеет «мягкую» механическую характеристику, т.е. момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения.

Из-за наличия коллекторного узла с одной стороны снижается ресурс двигателя, а с другой появляется возможность использовать непосредственно сам двигатель в качестве источников импульсов, частота которых показывает скорость вращения, для схем управления двигателем.

На данный момент альтернативами универсальному коллекторному двигателю являются бесколлекторные электродвигатели со схемами управления, однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент таких двигателей при тех же габаритах будет меньше.