Un motor eléctrico colector es una máquina eléctrica en la que el sensor de posición del rotor y el interruptor de corriente en los devanados son el mismo dispositivo: un conjunto cepillo-colector .
Los motores más pequeños de este tipo ( unidades Watt ) contienen en la caja:
Se utilizan principalmente en juguetes para niños, reproductores, secadores de pelo, afeitadoras eléctricas, destornilladores inalámbricos, etc. (voltaje de funcionamiento 3-9 voltios).
Los motores más potentes (decenas de vatios) suelen tener:
Es este diseño el que la mayoría de los motores eléctricos en los automóviles modernos (voltaje de funcionamiento de 12 o 24 voltios ): impulsan ventiladores para sistemas de refrigeración, calefacción y ventilación, limpiaparabrisas, bombas de lavado, bombas de calefacción adicionales, así como en compresores para inflar neumáticos y aspirar automóviles. limpiadores _
Los motores con una potencia de cientos de vatios, a diferencia de los anteriores, contienen un estator tetrapolar de electroimanes . Las propiedades de los motores eléctricos se deben en gran medida a la forma en que los devanados del estator se pueden conectar en relación con la armadura:
En este motor eléctrico, el devanado del inducido está conectado a la fuente de CC principal (red de CC, generador o rectificador), y el devanado de excitación está conectado a la fuente auxiliar. Se incluye un reóstato de ajuste en el circuito del devanado de excitación y un reóstato de arranque en el circuito del devanado del inducido. El reóstato de ajuste se usa para regular la velocidad de la armadura del motor, y el reóstato de arranque se usa para limitar la corriente en el devanado de la armadura durante el arranque. Un rasgo característico del motor eléctrico es que su corriente de excitación no depende de la corriente en el devanado del inducido (corriente de carga). Por lo tanto, podemos suponer aproximadamente que el flujo magnético del motor no depende de la carga. Las dependencias del par y la velocidad con la corriente serán lineales: el par es directamente proporcional a la corriente de carga y disminuye linealmente al aumentar la velocidad. No se instalan interruptores ni fusibles en el circuito del devanado de excitación, ya que cuando este circuito se rompe, el flujo magnético del motor eléctrico disminuye bruscamente y se produce un modo de emergencia. Si el motor eléctrico funciona al ralentí o con una pequeña carga en el eje, la velocidad de rotación aumenta bruscamente (el motor entra en sobremarcha). En este caso, la corriente en el devanado del inducido aumenta considerablemente y puede producirse un incendio general. Para evitar esto, la protección debe desconectar el motor de la fuente de alimentación. Un fuerte aumento en la velocidad de rotación cuando se rompe el circuito de devanado de excitación se explica por el hecho de que en este caso el flujo magnético, p. d.s., y la corriente aumenta. Y dado que el voltaje aplicado permanece sin cambios, la velocidad de rotación aumentará hasta e. ds no alcanzará un valor aproximadamente igual a la tensión de alimentación, que es necesaria para el estado de equilibrio del circuito eléctrico del inducido. Cuando la carga en el eje se acerca a la nominal, el motor eléctrico se detendrá si se rompe el circuito de excitación, ya que el par electromagnético que puede desarrollar el motor con una disminución significativa del flujo magnético disminuye y se vuelve menor que el par de carga. en el eje En este caso, la corriente también aumenta considerablemente, el devanado puede fallar debido al sobrecalentamiento.
Aquí, los devanados de excitación y armadura son alimentados por la misma fuente de energía eléctrica con voltaje. Se incluye un reóstato de ajuste en el circuito del devanado de excitación y un reóstato de arranque en el circuito del devanado del inducido. En el motor eléctrico considerado existe esencialmente una alimentación separada de los circuitos del devanado de excitación y del inducido, por lo que la corriente de excitación no depende de la corriente del devanado del inducido. Por lo tanto, un motor con excitación paralela tendrá las mismas características que un motor con excitación independiente. Sin embargo, un motor con excitación paralela solo funciona correctamente cuando recibe alimentación de una fuente de CC de voltaje constante.
El devanado de excitación está conectado en serie con la armadura. Para limitar la corriente en el arranque, se puede incluir un reóstato de arranque en el circuito del devanado del inducido, y se puede conectar un reóstato de ajuste en paralelo con el devanado de campo para controlar la velocidad. Un rasgo característico de este motor eléctrico es que su corriente de excitación es igual o proporcional (cuando el reóstato está encendido) a la corriente del devanado del inducido, por lo que el flujo magnético depende de la carga del motor. Cuando la corriente del devanado del inducido es inferior a 0,8-0,9 de la corriente nominal, el sistema magnético de la máquina no está saturado y podemos suponer que el flujo magnético cambia en proporción directa a la corriente. Por lo tanto, la característica de velocidad del motor eléctrico será suave: con un aumento de la corriente, la velocidad de rotación disminuirá considerablemente. La disminución de la velocidad de rotación se debe a un aumento de la caída de tensión en la resistencia interna del circuito de devanado del inducido, así como a un aumento del flujo magnético. El momento electromagnético aumentará bruscamente con un aumento en la corriente, ya que en este caso el flujo magnético también aumenta, por lo tanto, a una corriente inferior a 0.8-0.9 nominal, la característica de velocidad tiene la forma de una hipérbola y la característica de par tiene la forma de parábola.
Si la corriente es mayor que la corriente nominal, las dependencias del par y la velocidad de rotación de la corriente son lineales, ya que en este modo el circuito magnético se saturará y el flujo magnético no cambiará cuando cambie la corriente.
La característica mecánica del motor considerado es suave y tiene un carácter hiperbólico. Con cargas bajas, el flujo magnético disminuye considerablemente, la velocidad de rotación aumenta bruscamente y puede exceder el valor máximo permitido (el motor entra en sobremarcha). Por lo tanto, dichos motores no se pueden utilizar para accionar mecanismos que funcionan en modo inactivo y con poca carga (varias máquinas herramienta, transportadores, etc.).
Por lo general, la carga mínima permitida para motores de potencia grande y mediana es 0.2 .... 0,25 nominal. Para evitar que el motor funcione sin carga, está rígidamente conectado al mecanismo de transmisión (engranaje o embrague ciego), el uso de una transmisión por correa o embrague de fricción es inaceptable, porque si la correa se rompe, el motor puede fallar.
A pesar de este inconveniente, los motores excitados en serie son ampliamente utilizados, especialmente cuando hay grandes cambios en el par de carga y condiciones de arranque difíciles: en todos los accionamientos de tracción (locomotoras eléctricas, locomotoras diésel, trenes eléctricos, coches eléctricos, carretillas elevadoras eléctricas, etc.), así como en accionamientos de mecanismos de elevación de carga (grúas, ascensores, etc.).
Esto se explica por el hecho de que con una característica suave, un aumento en el par de carga conduce a un menor aumento en el consumo de corriente y potencia que para los motores con excitación independiente y en paralelo, por lo que los motores con excitación en serie toleran mejor las sobrecargas. Además, estos motores tienen un par de arranque mayor que los motores con excitación paralela e independiente, ya que con un aumento de la corriente del devanado del inducido en el arranque, el flujo magnético también aumenta en consecuencia.
En este motor eléctrico, el flujo magnético se crea como resultado de la acción combinada de dos devanados de excitación: paralelo (o independiente) y en serie.
La característica mecánica de un motor de excitación mixta se encuentra entre las características de los motores excitados en paralelo y en serie. La ventaja de un motor de CC de excitación mixta es que, al tener una característica mecánica suave, puede funcionar en ralentí. En este modo, la frecuencia de rotación de su armadura está determinada por el flujo magnético del devanado paralelo y tiene un valor limitado (el motor no funciona) [1] .
Las ventajas generales de los motores de CC de colector son la facilidad de fabricación, operación y reparación, y un recurso bastante largo.
Las desventajas incluyen el hecho de que los diseños eficientes (con alta eficiencia y bajo peso) de dichos motores son de bajo par y alta velocidad (cientos y miles de revoluciones por minuto), por lo tanto, para la mayoría de los accionamientos (excepto ventiladores y bombas), se necesitan cajas de cambios. Esta afirmación no es del todo cierta, pero está justificada. Una máquina eléctrica construida para baja velocidad generalmente tiene baja eficiencia y problemas de enfriamiento asociados. Lo más probable es que el problema sea tal que no haya soluciones elegantes para él.
El motor eléctrico de colector universal (UKD) es un tipo de máquina colectora de CC que puede funcionar tanto con corriente continua como con corriente alterna [2] . Se ha generalizado en las herramientas eléctricas manuales y en algunos tipos de electrodomésticos debido a su pequeño tamaño, peso ligero, facilidad de control de velocidad y precio relativamente bajo. Fue ampliamente utilizado en los ferrocarriles de Europa y Estados Unidos como motor de tracción.
Características del diseñoEstrictamente hablando, un motor de conmutador universal es un motor de conmutador de CC con devanados de campo (estator) conectados en serie, optimizado para funcionar con corriente alterna de una red eléctrica doméstica. Este tipo de motor, independientemente de la polaridad del voltaje aplicado, gira en una sola dirección, ya que debido a la conexión en serie de los devanados del estator y del rotor, el cambio de los polos de sus campos magnéticos ocurre simultáneamente y el momento resultante permanece dirigido en una sola dirección. De hecho, hay un pequeño cambio de fase allí, lo que provoca la aparición de un momento opuesto, pero es pequeño, el equilibrio de los devanados no solo mejora las condiciones de conmutación, sino que también reduce este momento. (M. P. Kostenko, "Máquinas eléctricas"). Para las necesidades de los ferrocarriles se construyeron subestaciones especiales de corriente alterna de baja frecuencia - 16 Hz en Europa, mientras que en USA la frecuencia de 25 Hz fue una de las estándar (junto con 60 Hz) hasta los años 50 del siglo XX siglo. En la década de 1950, un consorcio germano-francés de fabricantes de máquinas eléctricas logró construir una máquina de tracción monofásica con frecuencia industrial (50 Hz). Según MP Kostenko "Máquinas eléctricas", se probó una locomotora eléctrica con máquinas colectoras monofásicas a 50 Hz en la URSS, donde recibió una evaluación negativa entusiasta de los especialistas. .
Para poder trabajar con corriente alterna se utiliza un estator de material magnéticamente blando con una pequeña histéresis (resistencia a la remagnetización). Para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, el estator está hecho de placas aisladas. Un subconjunto de máquinas colectoras de CA (KMPT) son máquinas de "corriente pulsante" que se obtienen rectificando la corriente de un circuito monofásico sin suavizar las ondas ( ferrocarril ).
Una característica (en la mayoría de los casos, una ventaja) del funcionamiento de un motor de este tipo con corriente alterna (y no con corriente continua del mismo voltaje) es que en el modo de baja velocidad (arranque y sobrecarga), la resistencia inductiva de los devanados del estator limita la corriente consumida y, en consecuencia, el par motor máximo (estimado) hasta 3-5 del nominal (contra 5-10 cuando el mismo motor es alimentado por corriente continua). Para aproximar las características mecánicas de los motores de uso general, se pueden usar secciones de los devanados del estator: conclusiones separadas (y un número menor de vueltas del devanado del estator) para conectar la corriente alterna.
Un problema difícil es el problema de cambiar una poderosa máquina colectora de corriente alterna. En el momento de la conmutación (paso por la sección neutra), el campo magnético acoplado a la sección del inducido (rotor) cambia su dirección a la inversa, lo que provoca la generación en la sección de la denominada FEM reactiva. Este es el caso de la corriente continua. En CMPT, también tiene lugar EMF reactivo. Pero dado que la armadura (rotor) está en el campo magnético del estator pulsante en el tiempo, adicionalmente se produce un transformador EMF en la sección conmutada. Su amplitud será máxima en el momento de poner en marcha la máquina, disminuirá proporcionalmente a medida que se acerque a la velocidad de sincronismo (en el punto de sincronismo irá a cero) y luego, a medida que la máquina acelere, volverá a aumentar proporcionalmente. El problema de conmutación de CMPT se puede resolver de la siguiente manera:
La inversión del UKD se lleva a cabo cambiando la polaridad de encender los devanados de solo el estator o solo el rotor.
Ventajas y desventajasLa comparación se da para el caso de conexión a una red eléctrica doméstica monofásica de 220 voltios 50 Hz. y la misma potencia del motor. La diferencia en las características mecánicas de los motores ("suavidad-dureza", par máximo) puede ser tanto una ventaja como una desventaja, según los requisitos del accionamiento.
Comparación con un motor DC con escobillasventajas:
Defectos:
ventajas:
Defectos:
Cabe señalar que en los electrodomésticos modernos, el recurso de un motor eléctrico (conjunto de cepillo y colector) es comparable al recurso de los cuerpos de trabajo y los engranajes mecánicos.
Los motores (UKD y asíncronos) de la misma potencia, independientemente de la frecuencia nominal del motor asíncrono , tienen características mecánicas diferentes :
El campo que gira en antifase teóricamente reduce la eficiencia máxima de un motor asíncrono monofásico al 50-60% debido a pérdidas en un sistema magnético sobresaturado y pérdidas activas en los devanados, que están cargados con corrientes de "campo opuesto". De hecho, dos máquinas eléctricas "se sientan" en el mismo eje, una de las cuales funciona en modo motor y la segunda en modo oposición.
La característica mecánica determina principalmente las (diferentes) áreas de aplicación de este tipo de motores.
Debido a la baja velocidad, limitada por la frecuencia de la red de CA, los motores asíncronos de la misma potencia tienen un peso y unas dimensiones significativamente mayores que los UKD. Si un motor asíncrono es alimentado por un convertidor ( inversor ) con alta frecuencia, entonces el peso y las dimensiones de ambas máquinas se vuelven comparables. Al mismo tiempo, la rigidez de la característica mecánica permanece, se agregan pérdidas por conversión de corriente y, como resultado de un aumento en la frecuencia, aumentan las pérdidas inductivas y magnéticas (la eficiencia general disminuye).
Análogos del nodo sin escobillasEl análogo más cercano del UKD en términos de características mecánicas es un motor eléctrico sin escobillas ( un motor eléctrico sin escobillas , en el que un inversor con un sensor de posición del rotor ( RPS ) es un análogo electrónico del conjunto del colector de escobillas .
El análogo electrónico de un motor colector universal es un sistema: un rectificador (puente), un motor eléctrico síncrono con un sensor de posición angular del rotor (sensor de ángulo ) y un inversor (es decir, un motor de válvula con un rectificador).
Sin embargo, debido al uso de imanes permanentes en el rotor, el par máximo de un motor sin escobillas de las mismas dimensiones será menor.