Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель – это электрический мотор, где движение ротора сопровождается постоянной внутренней перекоммутацией обмоток.

Конструкция

Главной деталью считается коллектор. На фото показано, что деталь трудно перепутать. Коллектор легко просматривается через любую щель. Это барабан медного цвета, состоящий из множества отделённых друг от друга канавками ламелей. Структура коллектора сложна, каждую катушку нужно включить в двух направлениях для увеличения мощности. Этого не сделал однажды Якоби, и результат получился посредственным.

Обмотка якоря (движущейся части двигателя) состоит из множества катушек, образующих полюса. Конструкция симметрична для минимизации люфта, биений, снижения уровня вибраций. Это повышает срок эксплуатации изделия.

Коллектор, укреплённый на валу, становится распределителем электрической энергии, механическим коммутатором. Сегодня альтернативой этому варианту признаны вентильные двигатели с электронным управлением. За счёт своеобразной конструкции коллектор сильно искрит: при разрыве поверхностей щётки и ламели образуется быстро гаснущая дуга. Это становится причиной шума. По уровню постороннего звука коллекторные двигатели превосходят в разы прочие приспособления.

Щётки постепенно изнашиваются. Они состоят из контакта-шайбы под резьбовое соединение; толстого, характерного вида многожильного медного провода и графитового тела. По этим признакам узнаётся коллекторный двигатель, если задняя его часть закрыта кожухом, как показано на фото. Не нужно искать графитовое тело, достаточно посмотреть, куда идёт кабель. Конструкция держателей различается, но щётка легко снимается и заменяется на новую. Для обеспечения надёжного контакта служит прижимная пружина. Она присутствует во всех конструкциях, графитовое тело в процессе эксплуатации стачивается.

Несложно проиллюстрировать на болгарке (угло-шлифовальной машине). Для доступа имеются специальные крышки, позволяющие заменить щётку, не вскрывая корпуса. Чем обеспечиваются высокие эксплуатационные качества. Часто объем работ по резке и зачистке металлов на болгарку ложится большой, в пылу работы разбирать корпус не станет лучшим решением. Если присутствуют крышки, показанные на фото, достаточно снять их и заменить деталь. Резьбовое соединение здесь отсутствует, щётка прижимается к коллектору непосредственно крышкой.

Шлицевой отвёрткой нужно провернуть заглушку и извлечь старую щётку. Контактная площадка легко выбрасывается наружу, подталкиваемая пружиной. При невозможности достать идентичную щётку, допускается графитовое тело подточить. Форма контакта роли не играет, при необходимости припаивается нужной формы шайба, площадка и пр.

Из сказанного следует, что коллекторный двигатель в высшей степени ремонтопригодный. Отношение свысока к конструкциям постоянного тока неправильная политика. Эффективность переменного тока (крутящий момент, КПД) ниже. Причина – скорость вращения вала не всегда совпадает с частотой сети. Сложно предсказать результат векторного сложения полей всех полюсов.

Из истории

Первые мощные электрические двигатели, способные тянуть составы поездов, основывались на поступательном движении якоря, притягиваемого и толкаемого электромагнитом. Это моторы Кларка и Пейджа, появившиеся в 40-х годах XIX века. Роторные приводы с коллекторами, изобретённые раньше, не обретали должной популярности из-за малой мощности. К последнему типу относились двигатели:

• Якоби.
• Дэвенпорта.
• Ритчи.
• Дэвидсона.
• Фромента.

Начало конструкции коллекторных двигателей заложили Волластон, Фарадей, Ампер, Барлоу и Ритчи. Все последующее – повторение их идей в определённой степени. На момент 1850 года многими инженерами (Джоуль, Скорсби и пр.) вычислено, что электрическая энергия обходится до 25 раз дороже пара. Следовательно, конструкторы упёрлись в необходимость создать генератор, чего и достигли в скором времени (обратимость генераторов и двигателей предсказал Ленц в 1833 году).

Первые шаги

Коллекторные двигатели появились первыми. Все пошло от Майкла Фарадея, показавшего: если непрерывно подавать на провод электрический ток, удаётся заставить жилу вращаться вокруг магнита. Опыт проделан в 1821 году, о чем доложено Королевской академии. С оговоркой – Фарадей заявил, что идея не удалась. Учёный продолжал опыты и к ноябрю добился успеха. Параллельно опытом занимались прочие физики, слушавшие доклад, и тоже добились успеха.

Майкл Фарадей сегодня считается отцом коллекторных двигателей. Следом подобную машину собрал Барлоу.

Больше всего колесо Барлоу напоминает зубчатый диск пилорамы, подвешенный низко над столом. Нижний край его опущен в ёмкость с ртутью, в конец которого свешен провод с током. Это жидкий контакт, использованный и Майклом Фарадеем в 1821 году. С торцов нижнего края диска находится два полюса подковообразного постоянного магнита: южный и северный. Линии напряжённости диска направлены под углом, начинается вращение. Провод закорачивается через диск и станину на источник напряжения (вольтов столб).

Из сказанного видно, что принцип действия колеса Барлоу аналогичен использованному Майклом Фарадеем. Последний остановил свои исследования. Наставник Фарадея, много радевший о принятии Майкла в состав Королевского общества Англии, считал идеи подопечного плагиатом от установки Волластона, не работавшей по непонятной причине. Вместо ртути возможно налить подкрашенную воду (см. рис.), а ограничивает скорость вращения колеса – лампочка-индикатор. На целых 10 лет история создания коллекторного двигателя приостановилась.

Новая оригинальная идея принадлежит профессору Вильяму Ритчи. Он первым изобрёл двигатель с вращающимся валом, хотя российская литература отдаёт прерогативу Якоби. В журнале Philosophical Transactions от 20 марта 1833 года за номером 123 опубликована заметка, где указывалось несколько конструкций. Автор уверяет, что первый аппарат оказался собран ещё 9 месяцев назад (июнь 1832 года). Согласно рекомендации следует изготовить круглую подставку из древесины с жёлобом по внешнему периметру с налитой туда ртутью. Жёлоб по диаметру разделён на две равные части пологой перегородкой из древесины.

По центру подставки смонтирована тонкая ось, на которой вращается длинный брусок электромагнита. Полюса его питаются от двух проволок, окунаемых в ртуть. В момент прохождения импровизированными контактами перегородок происходит смена полюсов. Теперь, если над отключённой установкой подвесить подковообразный постоянный магнит, а источник питания замкнуть, ротор начинает вращаться!

Установка Ритчи считается первым в мире коллекторным двигателем. Правда, ртутный распределитель стоит на статоре, ныне он стал частью ротора. Смысл: особая конструкция позволяет сменить полярность электромагнита, что считается основной идеей конструкции любого коллекторного двигателя. Используя идеи Ампера, Ритчи сориентировал станину так, чтобы граница раздела канавки, заполненной ртутью, совпадала с географическим меридианом, и ротор стал вращаться в поле Земли!

Изобрёл профессор и прочие любопытные вещи, часть из которых связана с рассматриваемой темой. В то время (1834 год) доктор Эдмундсон из Балтиморы сконструировал подобие мельницы с коммутируемыми контактами. Здесь уже сдвоенный коллектор из крестовин стоял на окончаниях оси ротора, а единственный коммутируемый подковообразный электромагнит образовывал статор. Отключая и включая питание, крутящийся вал заставлял двигатель работать – притягивать одно окончание центрального креста. Последние два устройства составляют базис для конструирования рассматриваемого класса изделий.

Первый практичный коллекторный электродвигатель

Итак, теперь ясно, что Якоби не изобретал коллекторного двигателя. Но сумел приспособить и улучшить заимствованные идеи и через год собрать отличный двигатель, коллектор которого состоял уже из 4-х секций на каждом из 4-х токосъёмников. Заимствование идеи опознаётся по факту, что перегородки между контактными площадками сформированы по образцу.

Главная заслуга инженера – сумел выбить из царя 8000 рублей на развитие изобретения, обещая удивить Неву электрическими лодками на зависть Темзе и Тибру. Двигатели Якоби отличались большим количеством полюсов. Первый вариант состоял из четырёх электромагнитов на статоре и аналогичного количества на роторе. Для коммутации оси стояли четыре кольца, на каждом – по 4 проводящих сектора, разделённых участками древесины. Налицо повтор описанных конструкций.

Задумка не отличалась оригинальностью. Четыре магнита ротора и статора поочерёдно включались и выключались путём коммутации питающих контактов. Два кольца предназначались для управления подвижной частью и два – неподвижной. Полюсы делились на две пары, включаемые попеременно. Конструкция ротора и статора в этом плане идентична. Для обеспечения правильной временной коммутации кольца-съёмники пары смещены друг относительно друга на 45 градусов: пока работает первая, вторая бездействует.

Видео работающего двигателя выложено на Ютуб youtube.com/watch?v=kIPyyGyBZ60, а  скрины красочны, благодаря Электротехническому институту ETI, подразделению Института технологий Карлсруэ KIT (eti.kit.edu) в целом и Мартину Доппельбауэру в частности. Конструкцию считают самым мощным коллекторным двигателем до прихода 40-х годов XIX века

Задокументировано, что 13 сентября 1838 года первая электрическая лодка длиной 28 футов прошла за 7 часов расстояние в 7,5 км и обратно по Неве со средней скоростью 2,5 км/ч. Двигатель мощностью 300 Вт питался от 320 пар медно-цинковых пластин суммарным весом 200 кг, размещённых по обоим бортам судна. Неизвестно доподлинно, остались ли довольны 14 пассажиров, и находился ли среди них Ленц, но массового распространения данный вид транспорта не получил по очевидным соображениям: слишком большой расход цинка.

Ситуация начала меняться после 1859 года, в котором Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с восполняемым зарядом. Якоби несколько лет работал над собственным изобретением, но единственным ответом на усилия стало увеличение скорости судна в полтора раза (1839 год). Следующим годом Сибрандус Стратинг из Гронингена спустил на воду электрическую лодку, занимался и электромобилями.

В итоге, первый электрический флот появился на Темзе. Произошло это полвека спустя (1882 год). Флотилия началась с первого судна длиной 7,6 метров, названного громким словом Электричество. Неся на борту новые аккумуляторы и совершенные коллекторные двигатели, оно сумело развить скорость 13 км/ч и удерживать показатель в течение 6 часов. К 1888 году по Темзе ходил небольшой флот судов (6 штук), заряжаемых от электростанций, раскиданных по берегам реки. Ни одно из творений не сохранилось, но современный музей может похвастаться 16-метровой Мэри Гордон выпуска августа 1900 года.

Предпосылки для дальнейшего развития

Генераторы

Сегодня тяговые коллекторные двигатели ставят на локомотивы и пылесосы, в дрели и стиральные машины. C 1844 года активно использовались генераторы переменного тока Вулрича совместно с выпрямляющими коммутаторами. Этой мерой пытались снизить цену за вырабатываемую энергию. Прежде эксперименты шли с постоянным током, вырабатываемым медными и цинковыми кружками, и коллекторные двигатели рассчитывались на указанные условия.

Первый генератор создан в 1832 году Ипполитом Пикси. Как и первые мощные двигатели, создавался с поступательным ходом якоря. Следующим годом Ленц доложил об обратимости генераторов, что наталкивало на мысль о возможности создания коллекторных разновидностей устройств. Что уже прямо приводит к использованию энергии ветра, воды, газа, пара и пр. для создания электрической энергии. Хотя до 90-х годов напарником генератора оставался коммутатор-выпрямитель.

Щётки

Считается, что первым прижимные щётки придумал Вернер Сименс. Он занимался конструированием мощных динамо машин (1866 год). Исследователи в этой области важную роль отводят Аньошу Йедлику. Его имя называют первым среди изобретателей двигателей постоянного тока (см. видео youtube.com/watch?v=QFz70sdPf-8). Изобретатель говорит, что собственную машину собрал в 1827 году. Факт не задокументирован среди патентов, журналов, периодических изданий. Приходится думать, что вращающаяся конструкция действительно собиралась до опытов Майкла Фарадея с электромагнитной индукцией.

Конструкция Йедлика напоминает как две капли воды изделие Ритчи, описанное выше. Выгодно отличаясь отсутствием ртути. Контактом аккумулятора служит медный диск, разделённый диаметрально пополам. Поле статора создаётся витком толстой медной проволоки, на якоре расположены две последовательно соединённые обмотки, с токосъёмниками, волочащимися по поверхности диска. Два раза за оборот полярность полюсов статора меняется, что обеспечивает конструкции жизнеспособность.

Выходит, Йедлика уместно считать изобретателем первого в мире устройства с автоматической коммутацией полюсов. Коллектор расположен на станине, следовательно, считается статором. Упомянем Якоби, первым показавшего миру, как делать токосъёмник, на основе чего грядущие поколения смогли сделать прижимные щётки. Йедликом и Якоби сделаны две вещи, прямо касающиеся дальнейшей судьбы коллекторных двигателей:

1. Якоби привлёк к работе Ленца, последний быстро осознал обратимость генераторов и двигателей практически любого типа. О чем в 1833 году написал доклад, а пятью годами позже уже включился в конструирование динамо.
2. Йедлик в 1856 году, за 6 лет до создания первых промышленных генераторов Сименсом и Витстоном, уже выстроил теорию по данному вопросу. Если бы к его мнению прислушались, прогресс бы ускорился.

Кажется невероятным, но Йедлик не патентовал свои изобретения и не доводил до общественности, потому что считал: информация уже давно известна. Следует напомнить, что с началом технической революции научное общество Европы раскололось, а США начали тянуть одеяло на себя. Промышленники быстро увидели, что за счёт науки легко заработать, идеи не предавались широкой огласке.

Первым догадался применять переменное напряжение для создания вращающегося магнитного поля Тесла. Учёный в противовес Эдисону полностью отказался от коллекторов и работал исключительно над синхронными и асинхронными двигателями. Это продиктовано личной неприязнью двух конструкторов. Замечено, что коллекторный двигатель может работать и от переменного тока – в ущерб эффективности – что делало устройство универсальным (так коллекторные двигатели часто и называют).

Недостатки и преимущества

Любому типу устройств присущи достоинства и недостатки. Если брать коллекторные двигатели, их ценят за простоту регулирования скорости, большой крутящий момент, точность в работе. Недостатками считаются большой вес, нетерпимость к ударам и вибрациям, необходимость частого обслуживания. Коллекторные двигатели занимают в быту ведущую роль. Если посчитать соотношение обеих разновидностей дома:

1. Привод стиральной машины работает от коллекторного двигателя.
2. Компрессор холодильника обычно асинхронный (не берём промышленные варианты).
3. Двигатель пылесоса всегда коллекторный, что придаёт прибору мощь и простоту регулирования.
4. Любой электрический ручной инструмент за редким исключением содержит коллекторный двигатель.
5. Вытяжки обычно снабжают шумными коллекторными двигателями, это наиболее эффективный способ достичь большой мощности, несмотря на шум. Слабенькие купола иногда работают от асинхронных моторов.
6. Вентиляторы в силу требований к шуму содержат асинхронный двигатель.
7. Кухонные комбайны, миксеры, мясорубки и блендеры оборудованы коллекторным двигателем. Отличием изделий является частое использование тиристорной схемы регулировки оборотов, использующей схему обратной связи, оценивающую величину искрения на щётках. Это очевидный пример использования паразитного эффекта во благо.

Как отличить устройство по внутреннему устройству приборов, говорилось выше. А внешними признаками коллектора становятся искрение и повышенный уровень шума. В комплект порой даются графитовые щётки.