Зміст:
- Чому в побуті часто застосовуються саме колекторні двигуни
- Особливості роботи колекторних двигунів
- Конструкція колекторного двигуна і зв’язок її з втратами
Розглянемо деякі аспекти конструювання. Ми не обіцяємо зробити вічний двигун, на зразок того, який приписують авторству Тесла, але дещо цікаве все ж розповімо. Також не будемо тривожити читачів різними скріпками і батарейками, а замість цього пропонуємо поговорити про те, як можна пристосувати вже існуючий мотор під свої цілі. Відомо, що конструкцій багато, і всі вони десь використовуються, але сучасна література такі базові основи залишає за кормою. Тому ми простудіювали підручник минулого століття на предмет того, як зробити електродвигун своїми руками, і тепер пропонуємо зануритися в такі знання, які складають базис для будь-якого спеціаліста.
Чому в побуті часто застосовуються саме колекторні двигуни
Колекторний тип двигуна
Якщо брати одну фазу на 220В, то принцип роботи електродвигуна на колекторі дозволяє виготовити пристрою в 2-3 рази менш масивні, ніж було б при використанні асинхронної конструкції. Це дуже важливо при виготовленні таких приладів, як ручні блендери, міксери різного роду і навіть м’ясорубки. Але крім іншого асинхронний двигун складно розігнати вище 3000 оборотів в хвилину, тоді як для колекторних таке обмеження відсутнє. А це робить їх єдино придатними для реалізації конструкцій центрифугальних соковижималок, не кажучи вже про пилососах, де швидкість часто нітрохи не нижче.
І відпадає питання, як зробити регулятор обертів електродвигуна. Завдання давно вирішена шляхом відсічення частини циклу синусоїди напруги. Це стає можливим, тому що колекторному двигуну немає різниці, харчуватися змінним або постійним струмом. У першому випадку падають характеристики, але з цим миряться зважаючи очевидних вигод. Ось чому працює електродвигун колекторного типу і в пральній машині, і в посудомийній. Хоча швидкості там дуже відрізняються. (Див. також: Як зробити подовжувач своїми руками)
Дуже просто отримати і реверс. Для цього просто змінюється полярність напруги на одній з обмоток (якщо торкнутися обидві, то напрямок обертання залишиться колишньою). Інший вже питання – як зробити двигун, у якого стільки складових частин. Ми трохи поговоримо на цю тему, хоча зробити своїми руками колектор навряд чи комусь вдасться, а ось намотати його заново і підібрати статор цілком реально. Слід відразу зауважити, що саме від кількості секцій ротора і залежить швидкість обертання (так само як і від амплітуди напруги). Тоді як на статорі всього лише два полюси.
Нарешті, саме при використанні цієї конструкції вдається створити пристрій універсальне. Працює двигун без проблем і від змінного і постійного струму. Просто на обмотці роблять відвід, і при включенні від випрямленої напруги задіюються всі витки, а при синусоїдальній лише частина їх. Це дозволяє зберегти номінальні параметри. Ми б не сказали, що зробити примітивний електродвигун колекторного типу буде простим завданням, зате можна цілком і повністю пристосувати параметри під свої потреби. А це велика справа, бо навряд чи ми зайнялися таким завданням, щоб подивитися, як крутиться мідна спіралька навколо батарейки ААА.
Особливості роботи колекторних двигунів
У колекторному двигуні зазвичай не дуже багато полюсів на статорі. Якщо говорити точніше, то їх і зовсім два — північний і південний. Магнітне поле в противагу асинхронним двигунам тут не обертається. Замість цього змінюється положення полюсів на роторі. Таке положення справ забезпечується тим, що щітки поступово рухаються по секціях мідного барабана. Особливої намотуванням котушок забезпечується належне розподіл. Полюси як би ковзають по колу ротора, штовхаючи його в потрібному напрямку.
Ось чому для забезпечення режиму реверсу досить поміняти полярність живлення будь-якої обмотки. Ротор у цьому випадку називається якорем, а статор – збудником. Вся принадність полягає в тому, що включати ці ланцюги можна як паралельно один одному, так і послідовно. І від цього будуть значно змінюватися характеристики приладу. Це все описується так званими механічними характеристиками, погляньте на який малюнок, щоб мати уявлення, про що йде мова. Тут досить умовно показані графіки для двох випадків:
Графік зміни характеристик приладу
Колекторні двигуни з паралельним включенням обмоток статора і ротора відмінно піддаються регулюванню. За рахунок впровадження реостата в ланцюг збудника можна значно підняти обороти. А якщо такий же приєднати в гілку якоря, то обертання, навпаки, уповільниться. Це широко використовується в техніці для отримання потрібних характеристик.
Конструкція колекторного двигуна і зв’язок її з втратами
При конструюванні колекторних двигунів потрібно брати до уваги деякі відомості, що стосуються втрат. В даному випадку вони бувають трьох видів:
- Електричними прийнято називати теплові втрати при русі струмів у провідниках. Для зниження цієї величини всі обмотки виконуються з міді, що має найменший питомий опір з усіх доступних матеріалів. Зрозуміло, що було б краще взяти срібло, а золото – зовсім відмінно, але це було б занадто дорого. Теплові втрати залежать також від перерізу. Ось чому не можна вибирати товщину провідників надто малою. З цієї точки зору вона обмежується розсіюваною потужністю, яка не повинна бути менше реально присутньої в двигуні. Інакше обмотка згорить. З іншого боку, занадто товсті провідники з міді не тільки зробили б двигун громіздким і важким, але і здорожили б його. З цього питання ми можемо зробити важливе доповнення: жоден двигун не повинен бути позбавлений засобів захисту. Це можуть бути різні термопредохранители або реле. Їх можна знайти у вільному продажу. А значення спрацьовування повинні бути нижче температури вигорання обмотки (ізоляції). Зазвичай беруть близько 135 градусів Цельсія. Технічні дані на граничні температури проводів наводяться в їх характеристиках (data sheet).
Колектори
- Магнітні втрати виникають в сердечнику якоря. Здавалося б, логічно його зробити зі сталі, але це неприпустимо. Він виготовляється з ізольованих один від одного пластин. Зовсім як сердечник трансформатора. В іншому випадку обертається в магнітному полі статора метал стане подібний індукційної кухонній плитці. Листи розділені шаром лаку. Крім того використовується спеціальна електротехнічна сталь з підвищеним вмістом в ній кремнію. Це призводить до збільшення питомого опору матеріалу, що викликає зниження значень вихрових струмів. Нарешті, сталь повинна бути м’якою і спеціально обробленої для зниження залишкового магнетизму. Якщо двигун працює на постійному струмі, то його корпус і статор можна виготовляти із суцільних шматків металу. Але коли робота йде від мережі 220В або 380В, то всі прилеглі деталі виконуються листовими з поділом пошарово допомогою лаку.
- Про механічні втрати вже говорилося вище. Вони можуть служити не тільки паразитних ефектом, але й уберегти малопотужний колекторний двигун з послідовним збудженням від виходу з ладу. Завдяки тому, що обороти не вийдуть за межу швидкості.
Зазвичай колекторного двигуна при живленні змінним струмом використовується послідовне включення обмоток. Тому що в противному випадку виходить занадто великий індуктивний опір. (Див. також: Як зробити світильник своїми руками)
До сказаного можна додати, що колекторного двигуна при живленні змінним струмом набуває роль індуктивний опір обмоток. Ось чому при одному і тому ж чинному напрузі частота обертів знизиться. Крім того полюса статора і корпус потрібно буде якось уберегти від магнітних втрат. У необхідності цього можна переконатися на простому досвіді: живіть малопотужний колекторний двигун від батарейки. Його корпус залишиться холодним. Але якщо тепер подати змінний струм з тим же діючим значенням (тобто за показаннями тестера), то картина зміниться. Тепер корпус колекторного двигуна почне грітися.
Ескіз збору статора в поперечному зрізі і збоку
Ось чому навіть кожух намагаються зібрати з листів електротехнічної сталі. Клепаючи її або склеюючи при допомоги БФ-2 або його аналогів. Нарешті, доповнимо це ще одним твердженням: листи набираються по поперечного зрізу. Дуже часто статор збирається за ескізом, показаному на малюнку. У цьому випадку котушка намотується окремо по шаблону, а потім ізолюється і надівається на своє місце. Це допомагає спростити складання. Що стосується методик, то найпростіше було б нарізати сталь на плазмовому верстаті, і краще не думати про те, у скільки це обійдеться.
Найпростіше знайти (на звалищі, в гаражі тощо) вже готову форму для збірки. А потім вже намотати під неї котушки з мідного дроту з лаковою ізоляцією. Для цього свідомо діаметр повинен бути більше. Спочатку готову котушку натягують на один виступ сердечника, після чого іншого. Потім притискають дріт так, що по торцях залишається невеликий повітряний зазор. Вважається, що це не критично. Щоб все це трималося, у двох крайніх пластин гострі кути зрізаються, а решта серединка відгинається назовні, віджимаючи торці котушки зовні. Це допоможе зібрати двигун так, як це прийнято робити на заводах.
Дуже часто (особливо в блендери) можна знайти розімкнутий сердечник статора. Це не спотворює форму магнітного поля. Але оскільки полюс лише один, то особливої потужності в цьому випадку чекати не доводиться. Форма сердечника нагадує букву П, між ніжками якої в магнітному полі обертається ротор. Під нього зроблені колоподібні прорізи в потрібних місцях. Подібний статор кожен може зібрати самостійно з якогось старого трансформатора. Це простіше, ніж зробити електродвигун своїми руками з нуля.
Сердечник в місці намотування ізолюється сталевою гільзою, а з боків – діелектричним фланцями, які можна вирізати з будь-якого відповідного пластику.