Для чего в машинах постоянного тока используется коллектор

Для чего в машинах постоянного тока используется коллектор?

Коллектор — это система медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К пластинам припаяны отводы от обмотки якоря. Для соединения коллектора с зажимами машины и внешней цепью служат скользящие контакты (щетки).

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины .

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса. На рис. 1. показан общий вид коллектора электрической машины .

Для рассмотрения работы коллектора обратимся к рис. 2, на котором рамка с проводниками А и В показана в разрезе. Для большей наглядности проводник А показан толстым кружком, а проводник В двумя тонкими кружками.

Щетки замкнуты на внешнее сопротивление тогда э. д. с., индуктируемая в проводниках, будет вызывать в замкнутой цепи электрический ток. Поэтому при рассмотрении работы коллектора можно говорить не об индуктированной э. д. с., а об индуктированном электрическом токе.

Рис. 1. Коллектор электрической машины

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось .

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Рис. 4. Коллектор двигателя постоянного тока

Представление о характере изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки, снабженной коллектором, дает кривая рис. 5. Из кривой видно, что наибольших значений ток достигает в точках, соответствующих 90° и 270°, т. е. когда проводники пересекают силовые линии непосредственно под полюсами. В точках 0° (360°) и 180° ток во внешней цепи равен нулю, так как проводники, проходя нейтральную линию, силовых линий не пересекают.

Рис. 5. Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Из кривой нетрудно заключить, что хотя направление тока во внешней цепи и остается неизменным, но величина его все время меняется в пределах от нуля до максимума.

Электрический ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, носит название пульсирующего тока. Для практических целей пульсирующий ток очень неудобен. Поэтому в генераторах стремятся сгладить пульсации и сделать ток более ровным.

В отличие от генераторов, в двигателях постоянного тока коллектор выполняет роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря. Если в генераторе коллектор служит для выпрямления переменного тока в постоянный, то в электродвигателе роль коллектора сводится к распределению тока в обмотках якоря таким образом, чтобы в течение всего времени работы электродвигателя в проводниках, находящихся в данный момент под северным полюсом, ток проходил постоянно в каком-либо одном направлении, а в проводниках, находящихся под южным полюсом, — в противоположном направлении.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Устройство выпускного коллектора

Важным конструктивным элементом выхлопной системы является выпускной коллектор, в котором происходит смешение всех отработанных газов в единый поток, с целью их последующего отвода через трубу в глушитель и за пределы автомобиля. Между тем выхлопной коллектор предназначен и для обеспечения процесса эффективного продува, а также наполнения камер сгорания.

Элемент выхлопной системы, представленный выпускным коллектором, должен быть максимально жестко закреплен на головке блока цилиндров. Устройство выпускного коллектора выглядит следующим образом:

• непосредственно выпускной коллектор;
• выпускная труба;
• прокладка выпускного коллектора (размещена между коллектором и головкой блока, установка прокладки необходима с целью предотвращения утечки выхлопных газов в пространство под капотом транспортного средства; прокладка выхлопного коллектора должна быть изготовлена из качественного материала).

Процесс работы выпускного коллектора происходит в крайне некомфортных условиях, когда на конструкцию влияют не только высокие температуры, но и давление.

На сегодняшний день производители предлагают два типа выхлопных коллекторов: цельный и трубчатый. В первом случае конструкция коллектора будет цельной с наличием коротких каналов, объединенных в единую камеру. Материалом для производства цельного выхлопного коллектора чаще всего является жаропрочный чугун, чьи безупречные эксплуатационные свойства не имеют аналогов. Несмотря на то, что цельный выхлопной коллектор прост в изготовлении и отличается доступной стоимостью, эффективность отвода выхлопных газов довольно низкая, что отражается и на качестве продувки камер сгорания.

На современные транспортные средства чаще всего устанавливают трубчатый выпускной коллектор, который может быть изготовлен как из нержавеющей стали, так и из керамики. Преимуществом установки трубчатых выхлопных коллекторов является возможность с их помощью улучшить характеристики мощности автомобиля. В спортивных и тюнингованных автомобилях зачастую вместо обычного коллектора используется выпускной паук, он оптимален при частой работе двигателя на средних и высоких оборотах. Для того, чтобы продув камер сгорания осуществлялся с максимальной эффективностью, а вывод выхлопных газов проводился качественно и быстро, такие параметры коллектора как длина, диаметр труб, а также их конструкция должны быть подобраны правильно.

Процесс движения выхлопных газов в коллекторе выхлопной системы имеет колебательный характер. В случае с короткими трубами коллектора, будет достигаться эффект резонанса, при котором продувка камер сгорания на высоких оборотах работы двигателя проводится максимально эффективно. Длинная труба, напротив, оптимальна для работы на низких оборотах. Однако именно длинные трубы коллектора отвечают за то, чтобы выхлопные газы не вернулись назад в камеры сгорания (в случае если выпускные клапаны еще открыты).

Номинальный крутящий момент, как на малых, так и на средних оборотах достигается благодаря малому диаметру трубы. Однако в случае с высокими оборотами работы двигателя именно малый диаметр трубы может спровоцировать появление дополнительного сопротивления. Труба большого размера в свою очередь позволяет увеличивать мощностные показатели авто на высоких оборотах, при этом в случае с низкими оборотами действуя на снижение мощностных показателей.

Современные трубчатые выхлопные коллекторы сегодня производятся в двух оптимальных схемах:

• выпускной коллектор 421, именуемый длинным коллектором или в случае со спортивными авто – выпускной паук 421;
• выпускной коллектор 41 – короткий коллектор.

В первом случае четыре трубы коллектора соединены попарно с последующим соединением в единую трубу. В случае если имеет место тюнингованная или спортивная машина, коллектор именуют не иначе как коллектор — паук. Во втором случае коллектор выхлопной трубы будет представлен конструкцией, состоящей из четырех труб соединенных в одну.

На сегодняшний день трубчатый выпускной коллектор 422 является одним из самых востребованных элементов тюнинга. В зависимости от конструктивных особенностей авто и имеющихся технических параметров, может быть установлен как спортивный выпускной коллектор, так и иные виды коллекторов.

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

Коллекторные электродвигатели довольно распространены в быту и на производстве. Они используются для привода различных механизмов, электроинструмента, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена простой регулировкой оборотов ротора, но есть и некоторые ограничения их применения и конечно же недостатки. Давайте разберемся что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ), какие бывают разновидности данного вида электродвигателей и где они используются.

• Определение и устройство
• Принцип действия
• Виды КДПТ и схемы соединения обмоток
• Схема подключения и реверс
• Сфера применения
• Достоинства и недостатки

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

«Коллекторным называется электродвигатель, у которого датчиком положения вала и переключателем обмоток является одно и то же устройство – коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном.»

Коллекторный электродвигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор – является якорем. Напомним, что якорем называется та часть электрической машины, которая потребляет основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе), и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. К ламелям подключаются отводы секций обмоток якоря (устройство якорной обмотки КДПТ вы видите на группе рисунков ниже), а точнее к каждой из них подключен конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток к обмоткам подаётся через щетки. Щётки образуют скользящий контакт и во время вращения вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким образом происходит переключение обмоток якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна с щеткодержателями, непосредственно в них и устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижимаются к коллектору пружинами.

На статоре устанавливаются постоянные магниты или электромагниты (обмотка возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще используют термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже изображена конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь же давайте разберемся как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем. Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни Ватт).
2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъёмных механизмах и станках).

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

• Последовательного возбуждения (в старой отечественной литературе и от старых электриков можно услышать название «Сериесные», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Высокий пусковой момент – преимущество такой схемы, а её недостаток – падение частоты вращения с увеличением нагрузки на валу (мягкая механическая характеристика), и то что двигатель идёт вразнос (неконтролируемый рост оборотов с последующим повреждением опорных подшипников и якоря) если работают на холостом ходу или с нагрузкой на валу в меньше 20-30% от номинальной.
• Параллельного (также называют «шунтовые»). Соответственно обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. На низких оборотах на валу высокий момент и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а с увеличением оборотов он уменьшается. Преимущество — стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на валу (ограничивается его мощностью), а недостаток – при обрыве в цепи возбуждения может пойти вразнос.
• Назависимого. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет точнее регулировать обороты вала. Особенности работы похожи на ДПТ с параллельным возбуждением.
• Смешанного. Часть обмотки возбуждения подключена параллельно, а часть последовательно с якорем. Совмещают достоинства последовательного и параллельного типов.

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

В иностранной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДПТ, как было приведено на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь, а два квадрата – щетки.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

• В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
• В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
• В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
• В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Отметим, что в современный дорогой электроинструмент устанавливают не коллекторные, а бесколлекторные электродвигатели.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Выпускной коллектор

Выпускной коллектор — часть навесного оборудования двигателя внутреннего сгорания. Выпускной коллектор предназначен для сбора выхлопных газов из нескольких цилиндров в одну трубу.

Содержание

• 1 Теория
• 2 Спорт
• 3 Примечания
• 4 Ссылки

Теория [ править | править код ]

В основном выпускные коллекторы изготавливаются из чугуна. С одной стороны коллектор крепится непосредственно к двигателю внутреннего сгорания, с другой — к катализатору или, если катализатор не установлен, к выхлопной трубе. В связи со специфичностью расположения коллектора он работает в достаточно экстремальных условиях. Температура выхлопных газов достигает нескольких сотен градусов. Таким образом, после глушения двигателя происходит достаточно быстрое охлаждение с последующим неминуемым выпадом конденсата. Как результат, основная проблема коллектора — быстрое появление ржавчины.

Дополнительно к своей основной функции — удаление выхлопных газов из камеры сгорания, выпускной коллектор помогает в продуве камеры сгорания и её наполнении. Это происходит в результате резонирующих волн выхлопа. Во время открытия выпускного клапана, в камере сгорания газ находится под давлением, тогда как в коллекторе давление нормальное. Сразу после открытия выпускного клапана из-за разницы давлений создаётся волна. Отражаясь от ближайшего препятствия (которым в обычных автомобилях является резонатор или катализатор), она идёт обратно к цилиндру и, в некотором диапазоне оборотов (как правило, средних), подходит к цилиндру ко времени очередного такта выпуска, «помогая» следующей порции отработанных газов покидать цилиндр.

Стоячие волны (резонанс) возникают в трубе в достаточно широком диапазоне оборотов, так как волна распространяется не со скоростью звука, а со скоростью выхода из цилиндра, соответственно чем больше обороты двигателя, тем быстрее выходят газы из цилиндра, тем быстрее движется и возвращается волна, и как раз успевает вернуться к более короткому (по времени, для больших оборотов) очередному циклу.

Для создания одинаковых и благоприятных условий работы (выпуска) каждого цилиндра, выпускные трубы должны быть, во первых, персональны для каждого цилиндра (для разделения цилиндров и создания стоячих волн на определённых оборотах), и во-вторых, должны быть одинаковой длины, что и является причиной применения «паука» или «штанов» из труб.

На тракторных дизелях, в силу низкой номинальной частоты вращения (до 2000 об/мин), применяют общие коллекторы из чугуна.

Как правило, для избежания случайных ожогов, уменьшения пожарной опасности и повреждения других деталей от высокой температуры, в большинстве случаев коллектор (приёмные трубы) огораживают металлическим экраном.

Спорт [ править | править код ]

В сфере автоспорта и автотюнинга данный элемент занимает важное место и ему уделяется много внимания. В сфере автотюнинга в России выпускной коллектор называют «паук», что обусловленно его внешним видом.

На некоторых гоночных автомобилях выпускной коллектор отсутствует вовсе — у каждого цилиндра установлена своя выхлопная труба чётко определённой длины, без катализатора и без глушителя. Для тюнинга выпускается множество выпускных коллекторов с разными характеристиками заметно влияющими на работу двигателя. Выпускные коллекторы изготавливают из стали, чугуна, нержавеющей стали и титана. Выпускные коллекторы, изготовленные из нержавеющей стали, не поддаются коррозии вследствие воздействия высоких температур и отработанных газов. Из-за высоких температур внешняя часть выхлопного коллектора меняет цвет на синий [1] . Выхлопные коллекторы из чугуна обладают высокой степенью теплоизоляции, поэтому в случае установки выхлопного коллектора из этого материала остальные части автомобиля менее подвержены влиянию высоких температур. Титановые коллекторы самые легкие, и зачастую устанавливаются в гоночные автомобили. Выхлопные коллекторы из черного металла со временем разрушаются, поскольку этот материал сильно подвержен ржавлению и коррозии. Поэтому, как правило, их покрывают слоем керамики, термостойкой краски или хромируют. Большинство выпускных коллекторов выполнено из нержавеющей стали или керамики. Хотя коллекторы из керамики и получаются гораздо более лёгкими, но при сильном нагреве, с последующим охлаждением, они дают трещины, что моментально отражается на качестве выполняемой функции.