В области электрических машин для получения постоянного напряжения на зажимах используются различные конструкции, в том числе коллекторные и униполярные машины. В данной статье рассмотрим принцип работы этих машин и значимые этапы их развития, включая влияние изобретений на прогресс электротехники.
Коллекторные машины постоянного тока
Коллектор играет ключевую роль в электрических машинах постоянного тока, выполняя функцию преобразования переменного тока, индуцированного в обмотке, в постоянное напряжение на зажимах машины. Основная задача коллектора заключается в изменении направления индуктированной ЭДС и коммутации токов, что важно для правильной работы электрической машины. Без такого устройства постоянный ток на зажимах был бы невозможен, так как сам процесс индукции, протекающий в обмотке, создает переменный ток.
Важно отметить, что для выполнения этих задач коллектор должен обладать достаточной надежностью, а также быть достаточно эффективным для того, чтобы минимизировать потери энергии и повышать срок службы машины.
Простейшая конструкция коллектора состоит из двух металлических полуколец, которые изолированы друг от друга и присоединены к концам катушки. Эти полуколеса служат в качестве соединителей между катушкой и внешними проводами машины, обеспечивая необходимую коммутацию для изменения направления тока.
Важным элементом системы являются щетки, которые неподвижно расположены относительно магнитного поля. Эти щетки соединяют концы катушки с зажимами машины, обеспечивая передачу тока в цепь. Когда катушка вращается в магнитном поле, коллектор меняет местами концы обмотки именно в тот момент, когда поток катушки достигает своего максимального значения.
Это позволяет на выходе машины получить напряжение, которое периодически колеблется между максимальным значением и нулем, что и является характерной особенностью переменного тока. Данный процесс позволяет создать напряжение с минимальными колебаниями, однако оно все равно будет изменяться в зависимости от времени.
Однако использование коллектора, состоящего всего из двух частей, не позволяет полностью исключить колебания напряжений, что является значительным недостатком. Даже если якорь машины содержит несколько катушек, соединенных между собой, колебания напряжения все равно сохраняются, так как моменты, когда направление тока меняется, остаются неизбежными.
Колебания напряжений приводят к различным проблемам в работе машины, включая перегрев и возможное искрение на щетках, что значительно сокращает срок службы устройства и снижает его эффективность. Чтобы уменьшить эти колебания и сделать работу машины более стабильной, была предложена конструкция, использующая многопластинчатый коллектор.
В этой системе используется несколько коллектораных пластин, которые обеспечивают более плавное изменение направления тока и значительно снижают колебания напряжений. Многопластинчатый коллектор позволяет улучшить качество выпрямленного напряжения и уменьшить негативные эффекты, связанные с искрением и потерями энергии, что делает машины с такими коллекторами более эффективными и долговечными.
Униполярные машины
Униполярные машины — это устройства, которые могут генерировать постоянное напряжение без использования традиционного коллектора, что делает их конструкцию проще и более компактной.
Простейшая конструкция такой машины включает цилиндрический стержневой магнит, который может свободно вращаться вокруг своей оси, с проводником, присоединенным к контактным кольцам, расположенным на его поверхности.
В отличие от коллекторных машин, где напряжение изменяется по времени в зависимости от потока индукции, в униполярной машине индуктированная ЭДС определяется уменьшением потока индукции, сцепленного с цепью тока, что позволяет получать более стабильное напряжение.
Поток индукции, сцепленный с внутренней цепью, проходит через часть поверхности якоря, которая пропорциональна углу его поворота, что в свою очередь индуцирует постоянную ЭДС. Таким образом, вращение магнита вызывает изменение потока через проводники, создавая постоянное напряжение.
Конструкция униполярной машины также позволяет использовать несколько проводников, которые размещаются вдоль окружности якоря, что способствует получению стабильного и постоянного напряжения на зажимах устройства. Это позволяет улучшить эффективность работы машины и обеспечивает большую гибкость в применении.
Однако область применения униполярных машин ограничена рядом факторов. При необходимости соединить большое количество проводников для получения высоких напряжений количество контактных колец должно быть увеличено, что усложняет конструкцию и увеличивает ее стоимость. Это делает униполярные машины менее эффективными в случае, когда требуется создать высокое напряжение на выходных зажимах.
Тем не менее, несмотря на эти ограничения, униполярные машины остаются полезными в случаях, когда требуется работа при высоких скоростях и низких напряжениях. В таких условиях они могут составить конкуренцию традиционным коллекторным машинам постоянного тока, предоставляя преимущества в простоте конструкции и меньшем уровне износа.
Бесколлекторные (бесщеточные) машины постоянного тока
Бесколлекторные машины постоянного тока представляют собой устройства, которые, как и традиционные коллекторные машины, могут генерировать постоянное напряжение, но при этом они не используют коллектора и щетки. Это позволяет существенно снизить механический износ и потери энергии, что делает бесколлекторные машины более эффективными и долговечными. В таких машинах замена коллектора и щеток осуществляется за счет использования электронных средств управления, таких как полупроводниковые ключи и инверторы.
Принцип работы бесколлекторных машин постоянного тока основывается на использовании постоянного магнитного поля и системы обмоток, которые передают ток через статоры и ротора с помощью высокочастотных переключающих устройств.
Электронные коммутаторы выполняют функцию замены механических щеток, обеспечивая подачу тока на обмотки ротора в нужный момент времени, чтобы создать вращающееся магнитное поле. Это позволяет избежать физических контактов между движущимися и неподвижными частями, таких как щетки и коллектор, что значительно снижает трение и износ.
Электронная коммутация в бесколлекторных машинах осуществляется с помощью датчиков положения ротора, которые отслеживают его угловое положение.
Эти датчики передают информацию в систему электронного управления, которое своевременно включает или выключает соответствующие транзисторы, направляя ток в нужные обмотки ротора. Благодаря этому, постоянное магнитное поле создается без необходимости физического соединения, как в коллекторных машинах, что приводит к увеличению эффективности работы устройства и сокращению потерь энергии.
Преимущества бесколлекторных машин включают высокий КПД, низкий уровень износа, компактность и долговечность. Они нашли широкое применение в различных областях, таких как электротранспорт, авиация, робототехника и другие сферы, где важны высокие требования к надежности и сроку службы. Например, в авиации бесколлекторные машины используются для привода двигателей дронов, а в робототехнике они обеспечивают точное и эффективное управление движением роботов.
Однако бесколлекторные машины имеют и свои ограничения. Одним из них является необходимость наличия сложных электронных схем для управления, что увеличивает стоимость устройства. Также, несмотря на преимущества в области износа и трения, системы с электронными коммутациями могут быть чувствительны к электромагнитным помехам, что требует дополнительных мер защиты. Тем не менее, бесколлекторные машины постоянно совершенствуются, и с развитием технологий электронного управления они становятся все более популярными и доступными.