Зміст:
- Як працює колекторний двигун
- По мірі руху щіток по барабану виникає іскра
- Для гасіння іскри часто застосовуються варистори
- Знімні щічки на корпусі
- Іскріння обертів, зрив
- Як працює електродвигун постійного струму
Слід знати, що не всякий електричний двигун можна однозначно назвати працюють від постійного струму. Ми зараз говоримо про колекторному типі. Саме на ньому і базуються пристрій і принцип роботи електродвигуна постійного струму. Суть в тому, що статор складається з набору обмоток, кожна з яких працює тільки на обмеженій частині дуги ходу валу. А інакше і реалізувати саму концепцію було б складно. Якщо не сказати по-іншому – неможливо.
Як працює колекторний двигун
Колекторний якраз той тип двигунів, який використовується повсюдно в побуті. Приблизно 90% домашніх застосувань припадає саме на цей сегмент. Це двигуни пральних машин, пилососів, електричного інструменту. Винятком, мабуть, є лише холодильники, вентилятори, ветродувки і деякі витяжки. Це викликано вимогами безшумності. Кожен, хто чув, як їздить маленька машинка від батарейки, розуміє, про що йдеться. У нічний час дуже добре чути кожен шерех, і колекторний двигун навів би такої. Спробуйте включити на одну-дві секунди болгарку в шість годин ранку – відразу зрозумієте, про що мова.
Відповідно до законодавства в темний час доби рівень звукового тиску не повинен перевищувати 30 дБ. В іншому випадку техніка завадить спокійному сну. Шум викликаний тертям щіток про колектор, крім того ротор двигуна порівняно важкий, і найменша неспіввісність віддається в підшипниках. Люфт є завжди, і чим масивніше рухома частина, тим акустичний ефект помітніший. У колекторних двигунів багато недоліків, проте вони можуть працювати від постійного струму. А щоб зменшити габарити, знижують число котушок. Для однозначного завдання напряму обертання необхідно мінімум три полюси, причому ніколи вони не працюють всі відразу. (Див. також: Пристрій і принцип роботи електродвигуна змінного струму)
Двигун постійного струму
У колекторного двигуна з побутової техніки зазвичай велика кількість полюсів на роторі. Нижче є спрощений малюнок для постійного струму. Ось колекторний двигун працює в схожому режимі, але магнітів на статорі більше, і всі вони електричні. Крім того, харчування ведеться змінною напругою 220 В. А ми підійшли до самої головної таємниці! Немає різниці, живити колекторний двигун змінним або постійним струмом. Це з точки зору обивателя. Але зате існують деякі особливості:
У колекторному двигуні побутової техніки статор з’єднується, як правило, послідовно з ротором. Для передачі енергії на вал використовується струмознімач у вигляді барабана, розділеного на секції. Електродами служать графітові щітки з притискними пружинами. На корпусі висновки статора і ротора розмежовані для забезпечення можливості реалізації функції реверсу. Крім того серед контактів можуть бути допоміжні: три висновки датчика Холла (або два для тахометра), закінчення термозапобіжника та ін.
По мірі обертання вала щітки поступово переключаються на наступну секцію, і полюс ротора зсувається. Статор при цьому залишається на колишньому місці. Зверніть увагу, що полярність змінюється з подвоєною частотою мережі (50 Гц), але характер взаємодії залишається колишнім. Однакові полюси відштовхуються, а різнорідні притягуються. За рахунок особливого розподілу обмотки і комутації з колектором забезпечується потрібний напрямок обертання. В цьому і проявляється незалежність такого двигуна від типу живлячої напруги (постійного або змінного). Деякі особливості колекторного обладнання, властиві тільки даному типу пристроїв читайте нижче.
По мірі руху щіток по барабану виникає іскра
Цей паразитний ефект часто застосовується на користь, а недоліки у вигляді перешкод служать для оцінки швидкості обертання вала. При збільшенні навантаження на вал обороти знижуються. За рахунок цього знижується величина паразитної противо-ЕРС, що призводить до зменшення рівня іскріння. Спеціальна схема відстежує цей фактор і в разі необхідності трохи збільшує напругу живлення. За рахунок цього швидкість обертів відновлюється. Подібні схеми можна знайти, наприклад, у кухонних комбайнах, тоді як в пральних машинах для контролю обертання застосовуються спеціальні датчики (тахометр).
Принцип роботи
Для гасіння іскри часто застосовуються варистори
Як тільки величина ЕРС зростає до неприпустимого розміру, опір захисту в десятки тисяч разів зменшується, і зайвий струм закорочується на корпус. Зазвичай варистори використовуються в парі. Вони об’єднуються обидві щітки прямо через корпус колекторного двигуна. Ось чому пилососи часто не мають клеми заземлення на вилці, але при цьому успішно забезпечуються варисторной захистом. Іскра замикається через сталевий корпус, а зважаючи на його великих розмірів і маси розігріву не відбувається. Як би те ні було, смертельно небезпечно братися однією рукою за колекторний двигун з такими шедеврами, а інший за заземлені металеві конструкції (пожежні сходи; водопровідні, каналізаційні та газові труби; шини громовідводів; обплетення антенних кабелів тощо).
Знімні щічки на корпусі
Корпус електроінструменту зазвичай має знімні щічки, через які щітки змінюються протягом лічених хвилин. Це вберігає нас від необхідності розбирати прилад для технічного обслуговування. Ознакою зносу щіток є сильне іскріння. Мається на увазі випадок, коли устаткування вже зносилося. Тому що нові щітки при притирании теж сильно іскрять. Часто у разі зносу може спостерігатися падіння потужності. У цьому випадку дриль не обертає свердло, або зупиняється барабан пральної машини при номінальній масі завантаженої білизни. Не завжди вдається дістати оригінальні щітки, і потрібно знати, що ці комплектуючі можуть бути підточені до необхідних розмірів будь шліфувальним інструментом. (Див. також: Пристрій і принцип роботи генератора змінного струму)
Обертів електродвигуна
Іскріння обертів, зрив
Іскріння і навіть зрив обертів можуть спостерігатися при забрудненні барабана. У цьому випадку ротор виймається, проводиться чистка будь-яким підходящим засобом (наприклад, спиртом).
Ми вже сказали, що пристрій електродвигуна постійного струму не відрізняється принципово від моделей для роботи за змінним напругою. Тому все вищесказане повною мірою відноситься до будь-якого типу обладнання.
Як працює електродвигун постійного струму
Під струмознімачем у найпростішого двигуна всього дві секції. Це те, у що виродилося барабан колектора. Кожна контактна ламель (платівка на валу) займає пів обороту. Одна щітка має позитивний потенціал, а друга негативний, відповідно до цього змінюється напрям магнітного поля полюсів. Активними в кожен момент часу є лише два з них (описаної вище конструкції). Що стосується статора, то він може бути як у вигляді постійного електричного, так і звичайного металевого магніту. Останнє застосовується, наприклад, у тих же дитячих машинках.
А тепер про те, як працює електродвигун постійного струму. Припустимо, що в початковий момент часу обмотки розташовані так, як показано на рисунку. У нашому прикладі полюсів вже не два, як ми обговорювали вище, а три. Саме таке мінімальне число для стабільного запуску електричного двигуна постійного струму в потрібному напрямку. Обмотки з’єднані за схемою зірки, тобто у кожної пари є одна спільна точка. Тому напруженість поля такого, що існує два полюси негативних і один позитивний. Постійний магніт так, як показано на рисунку.
Спрощений малюнок для постійного струму
Кожну третину обороту відбувається перерозподіл поля так, що полюси зсуваються відповідно до зміни напруги живлення на ламелях. В результаті на другий епюрі ми бачимо, що номери обмоток зрушили, а картина в просторі залишилася тією ж. Це і є запорука стабільності: один полюс притягається до постійного магніту, а другий відштовхується. Якщо потрібно отримати реверс, то змінюється полярність підключення батареї (акумулятори). У результаті виходить два позитивних полюса і один негативний. А вал буде рухатися проти годинникової стрілки.
Ми вважаємо, що принцип дії електродвигуна постійного струму тепер гранично зрозумілий. Додамо до цього, що сьогодні широко поширені двигуни вентильного типу. Багато хто, напевно, задумалися про те, як зробити так, щоб поля чергувалися на статорі, а ротор представляв би собою постійний магніт. Це як раз і є в першому наближенні двигун вентильного типу. У цьому випадку постійний струм подається на потрібні обмотки статора через комутовані ключі, наприклад, тиристори. В результаті створюється необхідний розподіл поля.
Переваги такої схеми в зниженні кількості рухомих частин, які зазвичай і є причиною необхідності обслуговування або ремонту. Однак сам по собі тиристорний блок управління може бути досить складним. Хоча допускається організувати комутацію за допомогою тих же ламелей. Одночасно вся ця конструкція може служити грубим датчиком положення вала (плюс мінус відстань між контактними майданчиками по осі валу). Не варто думати, що вентильні двигуни це щось нове. Вони широко застосовуються, але в специфічних галузях. Там, де потрібно точно витримати частоту обертання. У побуті вентильні двигуни знайти досить складно. Якусь подібність можна побачити, приміром, у пральній машині. Мова зараз йде про помпи для зливу води (магнітний ротор, ось тільки струм в цьому випадку змінний).
Технічні характеристики електродвигунів постійного струму краще, ніж при живленні змінним струмом. З цієї причини даний клас пристроїв широко застосовується. Але ще частіше електродвигуни постійного струму використовуються при живленні від батарей різного роду. Коли немає вибору. А переваги такої схеми живлення дозволяють акумуляторам довше протриматися.
Слід зазначити, що обмотки статора і ротора можна включати як послідовно, так і паралельно. Останнє застосовується при навантаженому у вихідному стані валу. У цьому випадку спостерігається різке підвищення оборотів, що може призвести до негативних наслідків, якщо ротор занадто легко йде. Але ми вже згадували про подібних тонкощах в темі про конструювання двигунів своїми руками.