Электродвигатели КП
Электродвигатели КП: конструкция, характеристики и область применения
Электродвигатели серии КП представляют собой коллекторные двигатели переменного тока с последовательным возбуждением. Данная серия является одной из наиболее распространенных в категории универсальных коллекторных двигателей (УКД), способных работать как от сетей переменного, так и постоянного тока. Основное назначение двигателей КП – привод электроинструмента (дрели, шлифмашины, перфораторы), бытовой техники (пылесосы, кухонные комбайны), а также различных промышленных устройств, требующих широкого диапазона регулирования скорости и высокого пускового момента.
Конструктивные особенности двигателей серии КП
Конструкция двигателя КП типична для коллекторных машин с последовательным возбуждением и включает следующие ключевые элементы:
- Статор (индуктор): Состоит из шихтованного магнитопровода, набранного из листов электротехнической стали, и катушек возбуждения. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, что определяет основные тяговые характеристики двигателя.
- Ротор (якорь): Сердечник якоря также шихтован и насажен на вал. В пазах сердечника уложена обмотка якоря, выводы которой соединены с пластинами коллектора. Конструкция якоря рассчитана на работу на высоких скоростях вращения.
- Коллекторно-щеточный узел: Медный коллектор, состоящий из изолированных друг от друга пластин, и графитовые или угольно-графитовые щетки, установленные в щеткодержателях. Этот узел является наиболее изнашиваемой частью двигателя, требующей периодического обслуживания и замены.
- Корпус и подшипниковые щиты: Корпус обычно выполняется из алюминиевого сплава или стали, обеспечивает механическую прочность и отвод тепла. Подшипниковые щиты фиксируют вал ротора на подшипниках качения (шариковых или роликовых).
- Система вентиляции: Большинство двигателей КП имеют вентилятор, расположенный на валу якоря, который обеспечивает принудительное охлаждение, что критически важно для двигателей, работающих в режиме частых пусков и перегрузок.
- I²), что объясняет высокие пусковые качества двигателя. Частота вращения двигателя КП при отсутствии нагрузки стремится к очень высоким значениям (опасность «разноса»), поэтому такие двигатели никогда не включаются без механической нагрузки или редуктора.
- Изменение питающего напряжения: Наиболее распространенный способ. Реализуется с помощью автотрансформаторов, тиристорных регуляторов (диммеров) или специализированных ШИМ-контроллеров для постоянного тока. Позволяет плавно изменять скорость в широком диапазоне.
- Включение активного сопротивления в цепь: Простой, но неэкономичный метод, приводящий к большим потерям в реостате.
- Шунтирование обмотки возбуждения: Включение резистора параллельно обмотке возбуждения ослабляет магнитный поток, что приводит к увеличению скорости (режим «ослабления поля»).
- Высокий пусковой момент, позволяющий запускать двигатель под значительной нагрузкой.
- Простота и дешевизна изготовления.
- Возможность плавного регулирования скорости в широком диапазоне простыми средствами.
- Универсальность по питанию (переменный/постоянный ток).
- Компактность и высокие удельные показатели (мощность/масса).
- Наличие изнашиваемого коллекторно-щеточного узла, требующего обслуживания и генерирующего искрение.
- Искрение и электромагнитные помехи, создаваемые коммутацией тока.
- Относительно низкий КПД по сравнению с асинхронными и бесколлекторными двигателями.
- Опасность разноса при работе вхолостую.
- Повышенный шум и вибрация, особенно при износе щеток или коллектора.
- Ручной электроинструмент (дрели, болгарки, лобзики, рубанки).
- Бытовые приборы (пылесосы, миксеры, соковыжималки, мясорубки).
- Промышленный привод (подъемно-транспортные механизмы малой мощности, вентиляторы, насосы).
- Медицинская и оргтехника (приводы стоматологических установок, шредеров).
- Двигатель не запускается, гудит: Обрыв в одной из обмоток (якоря или возбуждения), заклинивание подшипников, межвитковое замыкание.
- Сильное искрение на коллекторе: Износ щеток, загрязнение или выработка коллектора, межвитковое замыкание или обрыв в обмотке якоря, неправильное положение щеток.
- Посторонний шум и вибрация: Износ подшипников, нарушение балансировки якоря, касание ротором статора.
- Перегрев при нормальной нагрузке: Затрудненное охлаждение, межвитковое замыкание, повышенное трение в механической части.
Принцип работы и основные характеристики
Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля статора и тока в проводниках якоря. Поскольку обмотка возбуждения и якоря соединены последовательно, через них протекает один и тот же ток. Это обеспечивает высокий электромагнитный момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки (M ≈ k
Основные технические параметры двигателей серии КП варьируются в широких пределах в зависимости от конкретной модели (КП-10, КП-20, КП-30, КП-40, КП-50 и т.д., где число часто указывает на внешний диаметр статора в миллиметрах):
| Параметр | Диапазон значений для серии КП | Примечания |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение | 27, 110, 127, 220, 380 В (переменный/постоянный ток) | Наиболее распространены двигатели на 220 В переменного тока. |
| Номинальная мощность | От 50 Вт до 1500 Вт и более | Мощность указывается для продолжительного режима работы S1. |
| Номинальная частота вращения | От 2700 до 12000 об/мин и выше | Зависит от конструкции и числа пар полюсов. |
| КПД | 45% — 70% | Относительно невысокий КПД – характерный недостаток УКД. |
| Коэффициент мощности (cos φ) | 0.7 — 0.95 | Ухудшается с уменьшением нагрузки. |
| Режим работы | S1 (продолжительный), S3 (повторно-кратковременный) | В инструменте часто используется режим S3 с ПВ 40-60%. |
Способы регулирования скорости и реверса
Регулирование частоты вращения двигателей КП осуществляется несколькими методами:
Для изменения направления вращения (реверса) необходимо поменять местами подключение либо обмотки якоря, либо обмотки возбуждения. Изменение полярности питающего напряжения при последовательном соединении обмоток направление вращения не изменит.
Преимущества и недостатки двигателей серии КП
Преимущества:
Недостатки:
Области применения и особенности эксплуатации
Двигатели КП нашли применение в областях, где критичны компактность, высокая скорость и регулируемость, а недостатки являются приемлемыми:
Эксплуатация требует регулярного технического обслуживания: очистки от угольной пыли, замены изношенных щеток, зачистки или проточки коллектора, проверки состояния подшипников. Для снижения радиопомех используются помехоподавляющие фильтры (конденсаторы, дроссели), устанавливаемые непосредственно на двигатель.
Сравнение с современными аналогами (асинхронными и бесколлекторными двигателями)
| Критерий | Двигатель КП (УКД) | Асинхронный двигатель (АД) | Бесколлекторный двигатель (BLDC) |
|---|---|---|---|
| Надежность | Низкая (из-за щеток и коллектора) | Очень высокая | Высокая |
| Управление скоростью | Простое, плавное | Сложное, требует частотного преобразователя | Сложное, требует электронного контроллера |
| Пусковой момент | Очень высокий | Средний/низкий | Высокий |
| КПД | Низкий/средний | Высокий | Очень высокий |
| Стоимость привода | Низкая | Средняя/высокая (с ЧРП) | Высокая |
| Электромагнитная совместимость | Плохая | Хорошая | Средняя/хорошая |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается двигатель КП от двигателя ДП?
Двигатель ДП – это двигатель постоянного тока параллельного возбуждения. Его обмотка возбуждения включена параллельно якорю и питается от независимого или общего источника. В отличие от КП, двигатель ДП имеет «жесткую» механическую характеристику (скорость слабо зависит от нагрузки) и не склонен к разносу при холостом ходе. Он не предназначен для работы непосредственно от сети переменного тока.
Можно ли подключить двигатель КП на 220В к сети 380В?
Нет, прямое подключение двигателя, рассчитанного на 220В, к сети 380В приведет к почти двукратному превышению рабочего напряжения на обмотках, резкому увеличению тока, перегреву и практически мгновенному выходу из строя из-за пробоя изоляции или сгорания обмоток.
Как определить неисправность в двигателе КП?
Как продлить срок службы двигателя КП?
Соблюдайте режимы работы (не превышайте допустимую продолжительность включения – ПВ), обеспечивайте чистоту и хорошую вентиляцию, своевременно заменяйте изношенные щетки, периодически очищайте внутренности от угольной пыли, проверяйте состояние коллектора и подшипников. Избегайте чрезмерных механических перегрузок.
Почему двигатель КП сильно искрит даже после замены щеток?
Вероятные причины: не притерлись новые щетки (требуется время на работу под нагрузкой), нарушена геометрия коллектора (биение, выработка ламелей), загрязнение промежутков между ламелями графитом и медью, неисправность обмотки якоря (обрыв или замыкание). Необходима диагностика и, возможно, проточка коллектора на токарном станке с последующей продорожкой изоляции.
Вытесняются ли двигатели КП современными технологиями?
В сегменте высококачественного и профессионального инструмента, а также в областях, где критичны надежность и КПД, наблюдается активное вытеснение коллекторных двигателей бесколлекторными (BLDC). Однако благодаря предельно низкой стоимости, простоте производства и управления, двигатели серии КП сохранят значительную долю рынка в бюджетном сегменте электроинструмента и бытовой техники в обозримой перспективе.