Univerzální kartáčovaný motor (UKD) – typ stejnosměrného komutátorového stroje, který může pracovat na stejnosměrném i střídavém proudu. Je široce používán v ručním elektrickém nářadí a v některých typech domácích spotřebičů díky svým malým rozměrům, nízké hmotnosti, snadnému ovládání otáček a relativně nízké ceně.

Obsah

  1. Obsah
  2. Návrhové prvky
  3. Výhody a nevýhody
  4. Srovnání s asynchronním motorem
  5. Analogy bez kolektorové jednotky
  6. Stručná charakteristika zařízení
  7. Odrůdy modelové řady
  8. Komponenty konstrukce
  9. Funkčnost motoru
  10. Výhody a nevýhody provozu
  11. Oprava motoru doma

Obsah

Návrhové prvky

Přesněji řečeno, univerzální komutátorový motor je stejnosměrný komutátorový motor s budicími (statorovými) vinutími zapojenými do série, optimalizovaný pro provoz na střídavý proud domácí elektrické sítě. Tento typ motoru se bez ohledu na polaritu přiváděného napětí otáčí jedním směrem, protože v důsledku sériového zapojení vinutí statoru a rotoru dochází současně ke změně pólů jejich magnetických polí a výsledný točivý moment zůstává směrován v jeden směr.

Pro možnost provozu na střídavý proud se používá stator z měkkého magnetického materiálu s nízkou hysterezí (odolností proti přepólování magnetizace). Pro snížení ztrát vířivými proudy je stator vyroben z izolovaných desek.

Vlastností (ve většině případů výhodou) provozu takového motoru na střídavý proud (a nikoli na stejnosměrný proud o stejném napětí) je to, že v režimu nízkých otáček (rozběh a přetížení) omezuje indukční reaktance statorových vinutí spotřeba proudu a podle toho maximální točivý moment motoru (odhadovaný) až 3-5 od jmenovitého (oproti 5-10 při napájení stejného motoru stejnosměrným proudem). Pro sblížení mechanických charakteristik motorů pro všeobecné použití lze použít dělení statorových vinutí – samostatné svorky (a menší počet závitů statorového vinutí) pro připojení střídavého proudu.

Obrácení UCD se provádí přepnutím polarity spínání na vinutí pouze statoru nebo pouze rotoru.

Výhody a nevýhody

Srovnání je uvedeno pro případ připojení k domácí jednofázové elektrické síti 220 voltů a stejném výkonu motoru. Rozdíl v mechanických vlastnostech motorů („měkkost-tvrdost“, maximální točivý moment) může být výhodou i nevýhodou v závislosti na požadavcích na pohon.

Výhody ve srovnání s kartáčovaným DC motorem:

  • Přímé připojení k síti, bez dalších komponentů (stejnosměrný motor vyžaduje minimálně usměrnění).
  • Nižší startovací (přetížení) proud (a točivý moment), což je vhodnější pro domácí zařízení.
  • Jednodušší řídicí obvod (pokud je k dispozici) je tyristor (nebo triak) a reostat. Pokud dojde k poruše elektronické součástky, motor (zařízení) zůstane funkční, ale okamžitě se zapne na plný výkon.
ČTĚTE VÍCE
Které vinutí transformátoru se nazývá sekundární vinutí?

Omezení V porovnání s kartáčovaným DC motorem:

  • Nižší celková účinnost kvůli ztrátám způsobeným indukčností a reverzací magnetizace statoru.
  • Nižší maximální točivý moment (může být nevýhoda).

Výhody ve srovnání s asynchronním motorem:

  • Rychlé a není vázáno na frekvenci sítě.
  • Kompaktnost (i s ohledem na převodovku).
  • Větší startovací moment.
  • Automatické proporcionální snížení otáček (téměř na nulu) a zvýšení točivého momentu s rostoucí zátěží (při konstantním napájecím napětí) – „měkká“ charakteristika.
  • Možnost plynulé regulace otáček (kroutícího momentu) ve velmi širokém rozsahu – od nuly po jmenovitou hodnotu – změnou napájecího napětí.

Omezení ve srovnání s asynchronním motorem:

  • Nestabilita otáček při změně zátěže (tam, kde je to důležité).
  • Přítomnost jednotky sběrače kartáčů a v souvislosti s tím:
    • Relativně nízká spolehlivost (životnost)
    • Silné jiskření komutátoru v důsledku přepínání střídavého proudu a souvisejícího rádiového rušení
    • Vysoká hladina hluku
    • Poměrně velké množství rozdělovacích (a tedy i motorových) dílů

    Je třeba poznamenat, že v moderních domácích zařízeních je životnost elektromotoru (jednotka kartáč-komutátor) srovnatelná s životností pracovních částí a mechanických převodů.

    Srovnání s asynchronním motorem

    Motory (UKD a asynchronní) o stejném výkonu, bez ohledu na jmenovitou frekvenci asynchronního motoru, mají různé mechanické vlastnosti:

    • UKD – „měkká“ charakteristikatočivý moment je přímý a otáčky jsou nepřímo úměrné zatížení hřídele (spotřebě energie) – téměř lineárně – od volnoběhu po plné brzdění. Jmenovitý točivý moment je zvolen přibližně 3-5krát menší než maximální. Volnoběžné otáčky jsou omezeny pouze ztrátami v motoru a při zapnutí bez zátěže mohou silný motor zničit.
    • Asynchronní motor – „tvrdá“ charakteristika — motor udržuje otáčky blízké jmenovitým otáčkám, prudce (v desítkách procent) zvyšuje točivý moment s mírným poklesem otáček (několik procent). Při výrazném poklesu otáček (před úplným brzděním) se točivý moment motoru nezvyšuje, ale dokonce klesá, což způsobí úplné zastavení. Volnoběžné otáčky jsou konstantní a mírně vyšší než jmenovité otáčky.

    Mechanické vlastnosti určují především (různé) oblasti použití těchto typů motorů.

    Díky nízkým otáčkám, omezeným frekvencí střídavé sítě, mají asynchronní motory stejného výkonu výrazně větší hmotnost a rozměry než UKD. Pokud je asynchronní motor napájen z měniče (invertoru) vysokou frekvencí, pak se hmotnost a rozměry obou strojů stávají srovnatelnými. Přitom tuhost mechanických charakteristik zůstává, přibývají ztráty pro převod proudu a v důsledku zvýšení frekvence se zvyšují indukční a magnetické ztráty (celková účinnost klesá).

    Analogy bez kolektorové jednotky

    Nejbližším analogem UKD z hlediska mechanických vlastností je bezkomutátorový elektromotor (ventilový elektromotor, ve kterém je elektronickým analogem jednotky kartáč-komutátor invertor se snímačem polohy rotoru (RPS).

    Elektronickým analogem univerzálního komutátorového motoru je systém: usměrňovač (můstek), synchronní elektromotor se snímačem úhlové polohy rotoru (úhlový snímač) a invertor (jinými slovy ventilový motor s usměrňovačem).

    Díky použití permanentních magnetů v rotoru však bude maximální točivý moment bezkomutátorového motoru se stejnými rozměry menší.

    Aplikace univerzálního komutátorového motoru 220V

    Téměř všechny typy elektrických zařízení jsou vybaveny výkonnými prvky s mechanickým spínáním. Jejich koordinovaná práce závisí na univerzálním komutátorovém motoru, který dobře zvládá různé zátěže. Aby však taková jednotka správně sloužila, musíte pečlivě prostudovat nejen její konstrukční vlastnosti, ale také princip fungování.

    Stručná charakteristika zařízení

    Univerzální kartáčovaný motor

    Odborníci jsou zvyklí nazývat komutátorový motor ty elektrické stroje, kde je proudový spínač a snímač rotoru jeden a tentýž prvek. Právě to zajišťuje spolehlivé spojení různých obvodů v pevném prostoru jednotky s rotorem.

    Jeho design se skládá z výkonných kartáčů (jedná se o specifické kluzné kontakty, které jsou umístěny v blízkosti rotující části motoru) a komutátor (tato část je výrobcem instalována na pohyblivou jednotku mechanismu).

    Hlavní výhody takového prvku lze bezpečně připsat skutečnosti, že vysoce kvalitní motor se snadno udržuje a ovládá, lze jej opravit a má dlouhou životnost. Mezi nevýhody samotní výrobci uvádějí, že jednotka je lehká a má vysoké procento účinnosti. Tyto dva ukazatele jsou samozřejmě nejčastěji pozitivní, ale ne v této situaci.

    Kombinace vysoké rychlosti (může dosáhnout několika tisíc otáček za minutu) a nízké hmotnosti znamená pro běžný provoz spotřebiče musíte si navíc pořídit dobrou převodovku. Při přestavbě stroje na nižší rychlost může úroveň účinnosti vážně poklesnout, což způsobuje problémy s kvalitním chlazením.

    Odrůdy modelové řady

    Kartáčovaný motor je střídavý točivý elektrický stroj, který snadno přeměňuje stejnosměrný proud na mechanickou energii. K hlavnímu kolektoru je připojeno alespoň jedno vinutí, které se účastní tohoto procesu.

    Návrh univerzálního komutátorového motoru

    Téměř každý model se skládá z následujících prvků:

    1. Vysoce kvalitní stator dvoupólového typu s permanentními magnety.
    2. Profesionální třípólový rotor na specifických ložiskách s kluzným efektem.
    3. Měděné desky, které se používají jako kartáče pro komutátorový motor.

    Stojí za zmínku, že tato sada je minimální, proto se často nachází v rozpočtových modelech. To platí i pro dětské hračky, kde není potřeba velký provozní výkon.

    Obvykle součástí produktů vyšší kvality přidat několik dalších prvků:

    • Vícepólový rotor na speciálních valivých ložiskách.
    • Čtyři grafitové kartáče, které jsou prezentovány ve formě komutátorové jednotky.
    • Stator se čtyřmi póly, který se skládá z permanentních magnetů.

    Takové jednotky běžně používané v moderních autech pro montáž kvalitních pohonů ventilátorů chladicích a ventilačních systémů, stěračů a čerpadel ostřikovačů. V prodeji samozřejmě najdete i složitější jednotky, které se liší nejen výkonnostními charakteristikami a rozsahem použití, ale také cenou.

    Pokud se výkon elektromotoru pohybuje do několika stovek wattů, pak musí obsahovat čtyřpólový stator, který je vyroben ze speciálních magnetů. A zde je kvalitní spojení vinutí lze provést jedním z následujících způsobů:

    Převíjení univerzálního komutátorového motoru

    • Paralelní. Při kolísavém zatížení zůstávají všechny otáčky stabilní, ale maximální točivý moment je mírně snížen.
    • V sérii s rotorem. Tato možnost se liší v tom, že maximální točivý moment nabývá poměrně působivých hodnot, ale existuje vysoké riziko selhání motoru, protože jednotka je provozována uživatelem při vysokých otáčkách.
    • Nezávislé buzení ze samostatného zdroje. Pro tuto situaci se používají stejné charakteristiky, které jsou charakteristické pro typ paralelního připojení. Stojí za zmínku, že tuto možnost odborníci používají velmi zřídka.
    • Smíšený typ buzení, kdy je určitá část stávajícího vinutí zapojena sériově a druhá část paralelně. Tato konfigurace úspěšně kombinuje všechny výhody předchozích možností. Tento typ připojení je ideální pro automobilové startéry.

    Známí výrobci však zajistili dostupnost univerzálních komutátorových motorů. Jejich klíčovou vlastností je, že perfektně fungují na stejnosměrný i střídavý proud. Aktivně se používají v domácích spotřebičích, elektrickém nářadí a také v železničních vozidlech.

    Tato popularita je způsobena skutečností, že jsou poměrně lehké na váhu a velikost. Jejich cena je navíc více než dostupná a každý uživatel si může nezávisle nastavit počet otáček potřebných pro práci. Díky tomu patří komutátor elektromotoru do kategorie střídavých zařízení, vykazuje výborné výsledky i u nestabilních zdrojů energie.

    Komponenty konstrukce

    Abyste co nejpřesněji porozuměli konstrukčním prvkům komutátorového elektromotoru, musíte si prostudovat všechny součásti této jednotky. Koneckonců, samotné zařízení je prezentováno ve formě stejnosměrného zařízení, kde jsou budicí vinutí zapojená do série. Jsou navrženy pro provoz na střídavý proud z domácího zdroje energie.

    Komponenty univerzálního komutátorového motoru

    Bez ohledu na polaritu se motor otáčí vždy pouze jedním směrem. Tato vlastnost je způsobena tím, že sériové zapojení vinutí rotoru a statoru vede k současné změně magnetických pólů. V důsledku toho je výsledný moment nasměrován výhradně stejným směrem.

    Vysoká účinnost použití komutátorového elektromotoru je způsobena přítomnost následujících prvků:

    • Stacionární část instalace je stator.
    • Kotva je integrální součástí kolektorové jednotky, ve které je indukována elektromotorická síla a protéká zatěžovací proud. Stojí za zmínku, že stator i rotor mohou fungovat jako kotva.
    • Induktor je specializovaný budicí systém. Tato část vytváří magnetický tok pro včasné generování točivého momentu. Induktor musí být vybaven budicím vinutím nebo permanentními magnety. Samotný díl může fungovat jako integrální součást statoru nebo rotoru.
    • Rotor je rotační prvek stroje.
    • Komutátor je základní částí motoru, která je v kontaktu s kartáči (tyto dvě části rozvádějí elektrický proud přes cívky vinutí kotvy).
    • Kartáče jsou nedílnou součástí obvodu, kterým se přenáší elektřina ze zdroje energie do kotvy. Tyto prvky jsou vyrobeny z odolného grafitu. Stejnosměrný motor může obsahovat jeden pár kartáčů nebo více.

    Funkčnost motoru

    Použití univerzálního kartáčovaného motoru v elektrickém vozidle

    Schéma zapojení komutátorového motoru dokonale ukazuje, jak tato jednotka přeměňuje elektřinu na mechanickou energii a naopak. To naznačuje, že takové zařízení lze dokonce použít jako generátor. Při průchodu proudu vodičem, který se nachází v magnetickém poli, na něj působí určité síly. V tomto případě aktivně funguje pravidlo pravé ruky, které má přímý dopad na konečný výkon motoru. Kolektorová jednotka funguje přesně na tomto principu.

    Standardní schéma jasně ukazuje, že jeden pár vodičů je umístěn v magnetickém poli, jehož proud je směrován různými směry stejně jako síly. Součet, který tvoří, poskytuje točivý moment požadovaný pro zařízení. Do komutátorového motoru přidali výrobci také celý komplex přídavných komponentů, které zaručují shodný směr proudu přes póly.

    Vzhledem k tomu, že na kotvě je více cívek, došlo k úplnému odstranění nerovnoměrnosti zdvihu. Navíc řemeslníci již nemusí používat stejnosměrný proud, protože konvenční magnety byly nahrazeny výkonnějšími cívkami. V konečné fázi výroby převzal točivý moment jeden směr.

    Výhody a nevýhody provozu

    Pro srovnání použili kvalifikovaní specialisté tyto parametry: obě jednotky byly připojeny k domácí elektrické síti o frekvenci 50 Hz a napětí 220 V. Výkon motoru přístrojů je zcela shodný. Výsledný rozdíl v mechanických parametrech může být obrovským plusem i mínusem (vše záleží na tom, jaké požadavky uživatel na pohon klade).

    Zkušební kontrola univerzálního komutátorového motoru

    Kolektorový motor má následující výhody oproti stejnosměrné jednotce:

    1. Nižší zapínací proud, což je zvláště důležité pro zařízení, která spotřebitelé používají v každodenním životě.
    2. Jednotku lze připojit přímo do sítě, není potřeba instalovat pomocná zařízení. Ale jednotka se stejnosměrným proudem vyžaduje nepřetržité usměrňování.
    3. Vysoká rychlost a úplná absence závislosti na frekvenci sítě.
    4. Pokud existuje řídicí obvod, pak je kolektorové zařízení jednodušší – tyristor a reostat. Když dojde k poruše elektronické části, samotná jednotka zůstane v provozuschopném stavu (bude však provozována na plný výkon).

    Nezapomeňte na nedostatky, které by si měl každý spotřebitel před zakoupením jednotky pečlivě prostudovat. Pouze v tomto případě si můžete být jisti, že zařízení splňuje všechny požadavky.

    Kolektorový motor má následující nevýhody:

    1. Celkové procento účinnosti je výrazně sníženo, protože dochází k indukčnosti a ztrátám v důsledku převrácení magnetizace statoru.
    2. Maximální točivý moment byl výrazně snížen.
    3. Relativně nízká spolehlivost a krátká životnost.

    Jakékoli změny nastavení jsou možné pouze v případě, že je jednotka vybavena regulátorem otáček. Různá množství dodané elektřiny mohou toto číslo změnit pouze o 10 %. Zatímco kvalitní regulátor otáček umožňuje jejich počet několikrát snížit. Takové zařízení si můžete vyrobit sami nebo si jej koupit ve specializovaném obchodě. Musíte si ale ověřit, zda může pracovat v kolektoru s určitým výkonem a počtem otáček. Pokud je regulátor slabý, jednoduše se rozbije.

    Oprava motoru doma

    Oprava univerzálního komutátorového motoru svépomocí

    Jako každé jiné zařízení může kolektor selhat v tu nejméně vhodnou chvíli. Pokud elektromotor nedosáhne stanoveného počtu otáček nebo se hřídel po nastartování nezačne otáčet, pak je potřeba zkontrolovat funkčnost pojistek. Problém může být způsoben i přerušeným obvodem v obvodu kotvy a přetížením zařízení. Poměrně často vede iracionální použití jednotky ke zvýšené spotřebě proudu. Tuto poruchu lze odstranit pouze po kontrole brzdy a mechanických částí.

    Pokud během provozu jednotka neprodukuje jmenovité otáčky, může to být způsobeno nedostatečným síťovým napětím, přetížením nebo vysokým budícím proudem. Pokud uživatel zaznamená poruchu reverzního typu, je nutné zkontrolovat elektrický obvod a také odstranit případné závady. V některých případech začne jednotka fungovat až po převinutí motoru.

    Když zařízení nefunguje kvůli nesprávnému párování paralelních a sériových vinutí, musí uživatel obnovit správné pořadí připojení.

    Nezapomeňte pravidelně kontrolovat napětí v elektrické síti, protože otáčky motoru se mohou výrazně zvýšit.