Електродвигун постійного струму

Слід знати, що не всякий електричний двигун можна однозначно назвати працюючим від постійного струму. Ми зараз говоримо про коллекторном 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 вала. А в іншому випадку 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 тільки холодильники, вентилятори, ветродувкі і деякі витяжки.

Це викликано вимогами безшумності. Кожен, хто чув, як їздить маленька машинка від батарейки, розуміє, про що мова.

У нічний час дуже добре чутно кожен шерех, і колекторний двигун навів би такий. Спробуйте-но включити на одну-дві секунди болгарку о шостій годині ранку - відразу зрозумієте, про що мова.

Згідно із законодавством 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 несоосность віддається в підшипниках.

Люфт є завжди, і чим масивніше, що рухається,, тим акустичний ефект помітніше.

У колекторних двигунів багато недоліків, зате 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.

У колекторного двигуна з побутової техніки зазвичай велике кількість полюсів на роторі. Зліва знаходиться 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 найголовнішої таємниці!

Немає різниці, живити колекторний двигун постійного або змінного струму.

Це з точки зору обивателя.

Але зате існують деякі особливості:

При харчуванні постійним струмом ККД підвищується.

Тому загальна потужність, що підводиться повинна бути пропорційно знижена через більшої ефективності її використання. Для цих цілей зазвичай обмотка статора має не два, а три висновки. І при харчуванні постійним струмом використовується тільки частина витків. Тоді як змінний тече через всю котушку статора.

При постійних полях зникає ефект перемагничивания.

Це різко знижує нагрів електротехнічної сталі магнитопроводов двигуна постійного струму. Що відбивається більш низькими вимогами до виготовлення несучої основи ротора і статора. Зокрема, можна не розділяти магнітопроводи на пластини з ізоляцією лаком.

Як би там не було, більшість колекторних двигунів постійного струму одночасно годяться і для роботи зі змінним. Тому все магнітопроводи виконані саме з пластин електротехнічної сталі, і ніяк не інакше.

Непрямим плюсом є трохи більше висока стабільність обертів.

Для регуляції швидкості обертання на постійному струмі використовується зміна амплітуди напруги, а на змінному за допомогою тиристорного ключа відсікається частина синусоїди по лінії живлення. Саме останній варіант і використовується в пральних машинах.

Реверс здійснюється на змінному струмі перекомутацію обмоток.

Наприклад, зміною їх напряму включення один щодо одного. Такі процедури в тій же пральній машині виконують спеціальні реле. У двигунах постійного струму часто полюс статора замінений залізним (неодимовим) магнітом.

Тому досить змінити полярність харчування для отримання реверсу

Цю операцію також можна виконувати за допомогою реле або контактора. Якщо все обмотки живляться енергією електрики, то для зміни напрямку обертання валу застосовується перекомутація.

У колекторному двигуні побутової техніки статор з'єднується, як правило, послідовно з ротором.

Для передачі енергії на вал використовується токос'емник 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 тощо.

У міру крутіння 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 напруги живлення (постійного або змінного).

У міру руху щіток по барабану виникає іскра

Цей паразитний ефект часто застосовується на користь, а недоліки у вигляді перешкод служать для оцінки швидкості обертання валу.

При збільшенні навантаження на вал обороти знижуються.

За рахунок цього падає величина паразитної протидії ЕРС. Спеціальна схема відстежує цей фактор і в разі необхідності трохи збільшує напругу харчування.

За рахунок цього швидкість обертів відновлюється. Подібні схеми можна знайти, наприклад, в кухонних комбайнах, тоді як в пральних машинах для контролю обертання застосовуються спеціальні датчики (тахометр).

Для гасіння іскри часто застосовуються варистори

Як тільки величина ЕРС зростає до неприпустимого розміру, опір захисту в десятки тисяч разів зменшується, і зайвий струм закорачивается на корпус.

Зазвичай варистори використовуються в парі. Вони об'єднують обидві щітки прямо через корпус колекторного двигуна.

Ось чому пилососи часто не мають клеми заземлення на вилці, але при цьому успішно забезпечуються варисторних захистом.

Іскра замикається через сталевий корпус, а з огляду на його великих розмірів і маси розігріву не відбувається.

Як би там не 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 кабелів і ін.).

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 зносилися. Тому що нові щітки при притирання теж сильно іскрять.

Часто в разі зносу може спостерігатися падіння потужності. В цьому випадку дриль не обертається свердло, або зупиняється барабан пральної машини при номінальній масі завантаженого білизни.

Не завжди вдається дістати оригінальні щітки, і потрібно знати, що ці комплектуючі можуть бути підточені до необхідних розмірів будь-яким шліфувальним інструментом.

Іскріння оборотів, зрив

Іскріння і навіть зрив оборотів можуть спостерігатися при забрудненні барабана. В цьому випадку ротор виймається, проводиться чистка будь-яким підходящим засобом (наприклад, спиртом).

Електродвигун постійного струму принципово не відрізняється від моделей для роботи з змінною напругою

Тому все вищесказане повною мірою відноситься до будь-якого типу обладнання.

Як працює електродвигун постійного струму

Під токос'емник у найпростішого двигуна всього дві секції. Це те, у що виродився барабан колектора.

Одна щітка має позитивний потенціал, а друга негативний, згідно цьому змінюється напрямок магнітного поля полюсів.

Активними в кожен момент часу є тільки два з них (в описаній вище конструкції).

Що стосується статора, то він може бути як у вигляді постійного електричного, так і звичайного металевого магніту. Останнє застосовується, наприклад, в тих же дитячих машинках.

А тепер про те, як працює електродвигун постійного струму. Припустимо, в початковий момент часу обмотки розташовані так, як показано на малюнку.

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 стоїть так, як показано на малюнку.

Кожну третину обороту відбувається перерозподіл поля так, що полюса 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 батарейки (акумулятора). В 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.

В цьому випадку постійний струм подається на потрібні обмотки статора через комутовані ключі, наприклад, тиристори. В результаті створюється потрібне розподіл поля.

Переваги такої схеми в зниженні кількості труться, 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 вала).

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.

Щось схоже на можна споглядати, наприклад, в пральній машині. Мова зараз йде про помпі для зливу води (ротор магнітний, ось тільки струм в цьому випадку змінний).
(Див. Також: Як самостійно замінити насос в пральній машині)

Технічні характеристики електродвигунів постійного струму краще, ніж при харчуванні змінним струмом. З цієї причини даний клас пристроїв широко застосовується.

Але ще частіше електродвигуни постійного струму використовуються при харчуванні від батарей різного роду.

Коли немає вибору. А переваги такої схеми живлення дозволяють акумуляторів довше протриматися.

Слід зазначити, що обмотки статора і ротора можна включати як послідовно, так і паралельно. Останнє застосовується при навантаженому в початковому стані валу.

У цьому випадку спостерігається різке підвищення оборотів, що може привести до негативних наслідків, якщо ротор занадто легко йде. Але ми вже згадували про подібні тонкощі в темі про конструювання двигунів своїми руками.