Un moteur à collecteur est une machine électrique synchrone dans laquelle le commutateur de courant dans l'enroulement et le capteur de position du rotor sont réalisés sous la forme du même dispositif - un ensemble balai-collecteur. Cet appareil se présente sous plusieurs formes.
Variétés
Un moteur à collecteur CC comprend généralement des éléments tels que:
- rotor tripolaire sur paliers lisses;
- stator à aimant permanent bipolaire;
- plaques de cuivre comme balais de l'ensemble collecteur.
Cet ensemble est typique des solutions à faible puissance généralement utilisées dans les jouets pour enfants où une puissance élevée n'est pas requise. Les moteurs plus puissants incluent plusieurs éléments structurels supplémentaires:
- quatre balais en graphite sous la forme d'un ensemble collecteur;
- rotor multipolaire sur roulements;
- stator à aimant permanent à quatre pôles.
Le plus souvent ce type d'appareil moteurutilisé dans les voitures modernes pour entraîner le ventilateur du système de refroidissement et de ventilation, les pompes de lave-glace, les essuie-glaces et d'autres éléments. Il existe également des agrégats plus complexes.
La puissance d'un moteur électrique de plusieurs centaines de watts implique l'utilisation d'un stator tétrapolaire composé d'électro-aimants. Pour connecter ses enroulements, plusieurs méthodes peuvent être utilisées:
- En série avec le rotor. Dans ce cas, un couple maximal important est obtenu, cependant, en raison du régime de ralenti élevé, le risque d'endommagement du moteur est élevé.
- En parallèle avec le rotor. Dans ce cas, la vitesse reste stable dans des conditions de charge changeantes, mais le couple maximal est nettement inférieur.
- Excitation mixte, lorsqu'une partie de l'enroulement est connectée en série et une partie en parallèle. Dans ce cas, les avantages des options précédentes sont combinés. Ce type est utilisé pour les démarreurs de voiture.
- Excitation indépendante, qui utilise une alimentation séparée. Dans ce cas, les caractéristiques correspondant à la mise en parallèle sont obtenues. Cette option est rarement utilisée.
Le moteur à collecteur présente certains avantages: il est facile à fabriquer, à réparer, à utiliser et sa durée de vie est assez longue. En tant qu'inconvénients, les éléments suivants sont généralement mis en évidence: les conceptions efficaces de tels dispositifs sont généralement à grande vitesse et à faible couple, de sorte que la plupart des entraînements nécessitent l'installation de boîtes de vitesses. Cette affirmation est bien fondéecar une machine électrique orientée à basse vitesse se caractérise par un rendement sous-estimé, ainsi que les problèmes de refroidissement qui y sont associés. Ces derniers sont tels qu'il est difficile de leur trouver une solution élégante.
Moteur collecteur universel
Cette variante est une sorte de machine à collecteur CC capable de fonctionner à la fois en CC et en CA. Le dispositif s'est répandu dans certains types d'appareils électroménagers et d'outils à main en raison de sa petite taille, de son faible poids, de son faible coût et de sa facilité de contrôle de la vitesse. Assez souvent trouvé comme véhicule de traction sur les chemins de fer des États-Unis et d'Europe. Vous pouvez considérer le dispositif du moteur électrique.
Caractéristiques de conception
Pour une meilleure compréhension de ce problème, vous devez examiner plus en détail ce qui a constitué la base de l'appareil présenté. Le moteur de type collecteur universel est un dispositif à courant continu avec des enroulements d'excitation connectés en série, optimisé pour un fonctionnement sur courant alternatif d'un réseau d'alimentation domestique. Le moteur tourne dans un sens, quelle que soit la polarité. Cela est dû au fait que la connexion en série des enroulements du stator et du rotor entraîne une modification simultanée de leurs pôles magnétiques et, de ce fait, le couple résultant est dirigé dans une direction.
De quoi est-il fait ?
Le moteur à collecteur AC implique l'utilisation dematériau souple à faible hystérésis. Pour réduire les pertes par courants de Foucault, cet élément est constitué de plaques empilées avec isolation. En tant que sous-ensemble de machines à collecteur AC, il est habituel de distinguer les unités de courant pulsé, qui sont obtenues en redressant le courant d'un circuit monophasé sans utiliser de lissage d'ondulation.
Un moteur à courant alternatif à collecteur se caractérise le plus souvent par la caractéristique suivante: en mode petite vitesse, la résistance inductive des enroulements du stator ne permet pas de consommer du courant au-delà de certaines limites, tandis que le couple moteur maximal est également limité à 3-5 du nominal. L'approximation des caractéristiques mécaniques est obtenue grâce à l'utilisation de la section des enroulements du stator - des sorties séparées sont utilisées pour connecter le courant alternatif.
Une tâche plutôt difficile consiste à commuter une puissante machine à courant alternatif. Au moment où la section passe le neutre, le champ magnétique, qui est en prise avec le rotor, change de sens dans le sens opposé, ce qui provoque la génération de champs électromagnétiques réactifs dans la section. Cela se produit lors d'un fonctionnement sur secteur. Dans les machines à collecteur de courant alternatif, des champs électromagnétiques réactifs ont également lieu. La FEM du transformateur est également notée ici, car le rotor se trouve dans le champ magnétique du stator, qui pulse dans le temps. Un démarrage en douceur du moteur du collecteur n'est pas possible, car à ce moment l'amplitude de la machine sera maximale, et à l'approche de la vitesse de synchronisme, elle diminuera proportionnellement. Comme plus loinaccélération, une nouvelle augmentation sera constatée. Pour résoudre le problème de commutation dans ce cas, plusieurs étapes séquentielles sont proposées:
- La section à un seul tour doit être préférée dans la conception pour réduire le débit d'embrayage.
- La résistance active de la section doit être augmentée, pour laquelle les éléments les plus prometteurs sont les résistances dans les plaques collectrices, où un bon refroidissement est observé.
- Le collecteur doit être activement rectifié avec des brosses de dureté maximale avec la plus grande résistance.
- La FEM réactive peut être compensée en utilisant des pôles supplémentaires avec des enroulements en série, et des enroulements parallèles sont applicables pour la compensation de la FEM du transformateur. La valeur de ce dernier paramètre étant fonction de la vitesse angulaire du rotor et du courant magnétisant, de tels bobinages nécessitent l'utilisation de systèmes de commande esclaves, qui n'existent pas encore.
- La fréquence des circuits d'alimentation doit être aussi basse que possible. Les options les plus populaires sont 16 et 25 Hz.
- L'inversion de l'UKD est effectuée en inversant la polarité des enroulements du stator ou du rotor.
Pour et contre
Les conditions suivantes sont utilisées à titre de comparaison: les appareils sont connectés à un réseau électrique domestique avec une tension de 220 volts et une fréquence de 50 Hz, alors que la puissance du moteur est la même. La différence de caractéristiques mécaniques des appareils peut être un inconvénient ou un avantage dansen fonction des exigences du lecteur.
Donc, un moteur à courant alternatif: avantages par rapport à un moteur à courant continu:
- La connexion au réseau se fait directement, et il n'est pas nécessaire d'utiliser des composants supplémentaires. Dans le cas d'une unité à courant continu, une rectification est requise.
- Le courant de démarrage est bien inférieur, ce qui est très important pour les appareils utilisés au quotidien.
- S'il existe un circuit de commande, son dispositif est beaucoup plus simple - un rhéostat et un thyristor. Si le composant électronique tombe en panne, le moteur du collecteur, dont le prix dépend de la puissance et varie de 1 400 roubles ou plus, restera opérationnel, mais s'allumera immédiatement à pleine puissance.
Il y a aussi certains inconvénients:
- En raison des pertes dues à l'inversion et à l'inductance du stator, le rendement global est sensiblement réduit.
- Le couple maximal a également été réduit.
Les moteurs électriques à collecteur monophasé présentent certains avantages par rapport aux moteurs asynchrones:
- compacité;
- manque de liaison à la fréquence et à la vitesse du réseau;
- couple de démarrage important;
- diminution et augmentation proportionnelles de la vitesse en mode automatique, ainsi qu'une augmentation du couple avec une charge croissante, tandis que la tension d'alimentation reste inchangée;
- le contrôle de la vitesse peut être fluide sur une plage assez large en modifiant la tension d'alimentation.
Inconvénients par rapport au moteur à induction
- lorsque la charge change, la vitesse sera instable;
- l'ensemble brosse-collecteur rend l'appareil peu fiable (la nécessité d'utiliser les brosses les plus rigides réduit considérablement la ressource);
- La commutation AC provoque une forte étincelle sur le collecteur et des interférences radio se forment;
- niveau de bruit élevé pendant le fonctionnement;
- le collecteur est caractérisé par un grand nombre de pièces, ce qui rend le moteur assez massif.
Le moteur à collecteur moderne se caractérise par une ressource comparable aux capacités des engrenages mécaniques et des organes de travail.
Autres comparaisons
Lorsque l'on compare des moteurs collecteurs et asynchrones de même puissance, quelle que soit la fréquence nominale de ces derniers, on obtient une caractéristique différente. Ceci sera décrit plus en détail ci-dessous. Le moteur électrique à collecteur universel met en œuvre une caractéristique "douce". Dans ce cas, le moment est directement proportionnel à la charge sur l'arbre, tandis que les révolutions lui sont inversement proportionnelles. Le couple nominal est généralement inférieur au maximum de 3 à 5 fois. La limitation de la vitesse de ralenti se caractérise exclusivement par des pertes dans le moteur, tout en allumant une unité puissante sans charge, elle peut s'effondrer.
La caractéristique d'un moteur asynchrone est "ventilateur", c'est-à-dire que l'unité maintient une vitesse proche de la valeur nominale, augmentant le couple aussi fortement que possible avec une légère diminution de la vitesse. Si nous parlons d'un changement significatif de cet indicateur, le couple moteur non seulement n'augmente pas, mais diminue égalementà zéro, ce qui entraîne un arrêt complet. Le régime de ralenti est légèrement supérieur au nominal, tout en restant constant. Une caractéristique d'un moteur à induction monophasé est un ensemble supplémentaire de problèmes associés au démarrage, car il ne développe pas de couple de démarrage dans des conditions normales. Le champ magnétique d'un stator monophasé, pulsé dans le temps, se décompose en deux champs de phases opposées, ce qui rend impossible le démarrage sans toutes sortes d'astuces:
- capacité qui crée une phase artificielle;
- rainure fendue;
- résistance active formant une phase artificielle.
Théoriquement, un champ tournant antiphase réduit l'efficacité maximale d'une unité asynchrone monophasée à 50-60 % en raison des pertes dans un système magnétique sursaturé et des enroulements chargés de courants à contre-champ. Il s'avère qu'il y a deux machines électriques sur le même arbre, tandis que l'une fonctionne en mode moteur, et la seconde en mode opposition. Il s'avère que les moteurs électriques à collecteur monophasé ne connaissent pas de concurrents dans les réseaux respectifs. C'est ce qui méritait une telle popularité.
Les caractéristiques mécaniques du moteur électrique lui confèrent un certain domaine d'utilisation. Les faibles vitesses, limitées par la fréquence du réseau alternatif, rendent les unités asynchrones de puissance similaire importantes en poids et en taille par rapport aux collecteurs universels. Cependant, lorsqu'ils sont inclus dans le circuit de puissance de l'onduleur avec une fréquence élevée, des dimensions et un poids comparables peuvent être obtenus. La rigidité de la caractéristique mécanique restemoteur, auquel s'ajoutent les pertes de conversion de courant, ainsi qu'une augmentation de la fréquence, les pertes magnétiques et inductives augmentent.
Analogues sans collecteur
Un moteur à collecteur à courant alternatif a un analogue qui s'en rapproche le plus en termes de caractéristiques mécaniques - une valve, où l'ensemble balai-collecteur a été remplacé par un onduleur équipé d'un capteur de position du rotor. Le système suivant est utilisé comme analogue électronique de cette unité: un redresseur, un moteur synchrone avec un capteur de position angulaire du rotor, combiné à un onduleur. Cependant, la présence d'aimants permanents dans le rotor réduit le couple maximal tout en conservant les dimensions.
Principe de fonctionnement
Le dispositif de moteur électrique collecteur montre comment le dispositif convertit l'énergie électrique en énergie mécanique et vice versa. Cela indique sa capacité à être utilisé comme générateur. Il convient d'examiner plus en détail le moteur électrique du collecteur, dont le schéma démontrera ses capacités.
Les lois de la physique stipulent clairement que lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur dans un champ magnétique, une certaine force est exercée sur celui-ci. Dans ce cas, la règle de la main droite fonctionne, ce qui a un impact direct sur la puissance du moteur électrique. Le moteur du collecteur fonctionne exactement sur ce principe de base.
La physique nous enseigne que la basecréer les bonnes choses sont de petites règles. Cela a servi de base à la création d'un châssis tournant dans un champ magnétique, ce qui a permis de créer un moteur électrique à collecteur. Le schéma montre qu'une paire de conducteurs est placée dans un champ magnétique dont le courant est dirigé dans des directions opposées, et donc les forces aussi. Leur somme donne le couple requis. Le dispositif d'un moteur électrique est beaucoup plus compliqué, car tout un complexe d'éléments nécessaires y a été ajouté, notamment un collecteur qui fournit le même sens de courant sur les pôles. La course inégale a été éliminée en plaçant plus de bobines sur l'armature, tandis que les aimants permanents ont été remplacés par des bobines, ce qui a éliminé le besoin de courant continu. Cela a permis de donner au couple une seule direction.
Réparation de moteurs électriques à faire soi-même
Comme tout autre appareil, cet appareil peut tomber en panne pour n'importe quelle raison. Si le moteur électrique, dont vous pouvez voir la photo dans notre revue, ne peut pas gagner le nombre de tours requis, ou si l'arbre ne tourne pas au démarrage, vous devez vérifier si ses fusibles ont sauté, s'il y a des ruptures dans le circuit électrique d'induit, si l'appareil lui-même est surchargé. Très souvent, une surcharge se traduit par une consommation de courant anormale. Pour éliminer ce dysfonctionnement, il est nécessaire d'inspecter soigneusement la transmission mécanique et le frein, puis d'éliminer les causes de surcharge.
La conception du moteur électrique est telle que lorsqu'il démarre, il consommeune certaine quantité de courant. Si elle est supérieure à la valeur nominale, il est nécessaire de vérifier la cohérence de la connexion des enroulements parallèle et série les uns par rapport aux autres, ainsi que par rapport au rhéostat. Lorsque des réparations de moteurs électriques à faire soi-même sont effectuées, des erreurs assez spécifiques sont le plus souvent commises. En particulier, l'enroulement shunt peut être connecté en série avec la résistance électrique du rhéostat, ou connecté à un pôle du réseau électrique.
La vérification de la cohérence de la connexion de l'enroulement d'excitation de travail est effectuée en connectant l'une des extrémités de l'enroulement shunt à l'extrémité d'ancrage, et la seconde - avec un conducteur électrique provenant de l'arc du rhéostat. Habituellement, la section transversale de ce conducteur électrique est légèrement plus petite que les autres, de sorte qu'il peut être détecté sans mégohmmètre. Après avoir allumé l'interrupteur d'alimentation et déplacé le curseur du rhéostat en position médiane, l'alimentation est fournie aux extrémités libres. Au moyen d'une lampe témoin, un contrôle séquentiel de toutes les extrémités conductrices est effectué. Lorsque vous touchez l'un d'eux, la lampe doit s'allumer, mais pas avec l'autre. C'est ainsi que l'ensemble du moteur est testé. Le prix des travaux effectués dépendra du type de panne de l'unité.
Si, pendant le fonctionnement de l'appareil, le nombre de tours est inférieur à la valeur nominale, les principales raisons en sont généralement les suivantes: faible tension secteur, surcharge de l'appareil, courant d'excitation important. Si une inopérabilité de nature contraire est constatée, il est nécessaire de vérifier le circuit d'excitation, d'éliminer tous les défauts identifiés, après quoivous pouvez définir la valeur normale du courant d'excitation. Dans certains cas, il peut être nécessaire de rembobiner les moteurs.
Lorsque la raison de l'inopérabilité de l'unité est l'appariement erroné des enroulements de champ parallèle et série, il est nécessaire de rétablir l'ordre de connexion correct. S'il n'est pas possible d'éliminer un tel problème de manière simple, il peut être nécessaire de rembobiner les moteurs électriques. Il est également nécessaire de vérifier l'amplitude de la tension dans le réseau électrique, car avec une augmentation de sa valeur nominale, les révolutions de l'appareil peuvent augmenter.
