RSS
people

Как работает электродвигатель постоянного тока

Следует знать, что не всякий электрический двигатель можно однозначно назвать работающим от постоянного тока. Мы сейчас говорим о коллекторном типе. Именно на нем и базируются устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока.

Суть в том, что статор состоит из набора обмоток, каждая из которых работает только на ограниченной части дуги хода вала. А в противном случае и реализовать саму концепцию было бы сложно. Если не сказать по другому – невозможно.

Как работает коллекторный двигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного токаКоллекторный как раз тот тип двигателей, который используется повсеместно в быту. Примерно 90 % домашних применений приходится именно на этот сегмент.

Это двигатели стиральных машин, пылесосов, электрического инструмента. Исключением, пожалуй, являются только холодильники, вентиляторы, ветродувки и некоторые вытяжки.

Это вызвано требованиями бесшумности. Каждый, кто слышал, как ездит маленькая машинка от батарейки, понимает, о чем речь.

В ночное время очень хорошо слышно каждый шорох, и коллекторный двигатель навёл бы таковой. Попробуйте-ка включить на одну-две секунды болгарку в шесть часов утра – сразу поймёте, о чем речь.

Согласно законодательству в тёмное время суток уровень звукового давления не должен превышать 30 дБ. В противном случае техника помешает спокойному сну.

Неплохой электродвигатель постоянного токаШум вызван трением щёток о коллектор, кроме того ротор двигателя сравнительно тяжёлый, и малейшая несоосность отдаётся в подшипниках.

Люфт есть всегда, и чем массивнее движущаяся часть, тем акустический эффект заметнее.

У коллекторных двигателей много недостатков, зато они могут работать от постоянного тока.

А чтобы уменьшить габариты, снижают число катушек.

Для однозначного задания направления вращения необходимо минимум три полюса, причём никогда они не работают все сразу.

У коллекторного двигателя из бытовой техники обычно великое количество полюсов на роторе. Слева находится упрощенный рисунок для постоянного тока.

Статор электродвигателя постоянного токаВот коллекторный двигатель работает в схожем режиме, но магнитов на статоре больше, и все они электрические.

Кроме того, питание ведётся переменным напряжением 220 В. А мы подошли к самой главной тайне!

Нет разницы, питать коллекторный двигатель переменным или постоянным током.

Это с точки зрения обывателя.

Но зато существуют некоторые особенности:

  • При питании постоянным током КПД повышается.

Поэтому общая подводимая мощность должна быть пропорционально снижена ввиду большей эффективности её использования. Для этих целей обычно обмотка статора имеет не два, а три вывода. И при питании постоянным током используется только часть витков. Тогда как переменный течёт через всю катушку статора.

  • При постоянных полях исчезает эффект перемагничивания.

Это резко снижает нагрев электротехнической стали магнитопроводов двигателя постоянного тока. Что отражается более низкими требованиями к изготовлению несущей основы ротора и статора. В частности, можно не разделять магнитопроводы на пластины с изоляцией лаком.

Как бы то ни было, большинство коллекторных двигателей постоянного тока одновременно годятся и для работы с переменным. Поэтому все магнитопроводы выполнены именно из пластин электротехнической стали, и никак не иначе.

  • Косвенным плюсом является чуть более высокая стабильность оборотов.

Для регуляции скорости вращения на постоянном токе используется изменение амплитуды напряжения, а на переменном при помощи тиристорного ключа отсекается часть синусоиды по линии питания. Именно последний вариант и используется в стиральных машинах.

  • Реверс осуществляется на переменном токе перекоммутацией обмоток.

Как работает электродвигатель постоянного тока

Например, изменением их направления включения друг относительно друга. Такие процедуры в той же стиральной машине выполняют специальные реле. В двигателях постоянного тока часто полюс статора заменён железным (неодимовым) магнитом.

Поэтому достаточно сменить полярность питания для получения реверса

Эту операцию также можно выполнять при помощи реле или контактора. Если все обмотки питаются энергией электричества, то для изменения направления вращения вала применяется перекоммутация.

Коллекторный электродвигатель бытовой техникиВ коллекторном двигателе бытовой техники статор соединяется, как правило, последовательно с ротором.

Для передачи энергии на вал используется токосъёмник в виде барабана, разделённого на секции.

Электродами служат графитовые щётки с прижимными пружинами. На корпусе выводы статора и ротора разграничены для обеспечения возможности реализации функции реверса.

Кроме того среди контактов могут быть вспомогательные: три вывода датчика Холла (или два для тахометра), окончания термопредохранителя и пр.

По мере кручения вала щётки постепенно переключаются на следующую секцию, и полюс ротора сдвигается. Статор при этом остаётся на прежнем месте.

Какой электродвигатель лучшеОбратите внимание, что полярность меняется с удвоенной частотой сети (50 Гц), но характер взаимодействия остаётся прежним.

Одинаковые полюса отталкиваются, а разнородные притягиваются. За счёт особого распределения обмотки и коммутации с коллектором обеспечивается нужное направление вращения.

В этом и проявляется независимость такого двигателя от типа питающего напряжения (постоянного или переменного).

Некоторые особенности коллекторного оборудования, присущие только данному типу устройств читайте ниже.

По мере движения щёток по барабану возникает искра

Принцип работы электродвигателя постоянного токаЭтот паразитный эффект часто применяется на пользу, а недостатки в виде помех служат для оценки скорости вращения вала.

При увеличении нагрузки на вал обороты снижаются.

За счёт этого падает величина паразитной противо-ЭДС. Специальная схема отслеживает этот фактор и в случае необходимости чуть увеличивает напряжение питания.

За счёт этого скорость оборотов восстанавливается. Подобные схемы можно найти, к примеру, в кухонных комбайнах, тогда как в стиральных машинах для контроля вращения применяются специальные датчики (тахометр).

Для гашения искры часто применяются варисторы

Варистор электродвигателя постоянного токаКак только величина ЭДС растёт до недопустимого размера, сопротивление защиты в десятки тысяч раз уменьшается, и лишний ток закорачивается на корпус.

Обычно варисторы используются в паре. Они объединяют обе щётки прямо через корпус коллекторного двигателя.

Вот почему пылесосы зачастую не имеют клеммы заземление на вилке, но при этом успешно снабжаются варисторной защитой.

Искра замыкается через стальной корпус, а ввиду его больших размеров и массы разогрева не происходит.

Как бы то ни было, смертельно опасно браться одной рукой за коллекторный двигатель с такими изысками, а другой за заземлённые металлические конструкции (пожарные лестницы; водопроводные, канализационные и газовые трубы; шины громоотводов; оплётки антенных кабелей и пр.).

Съёмные щёчки на корпусе

Корпус электродвигателя постоянного токаКорпус электроинструмента обычно имеет съёмные щёчки, через которые щётки меняются в течение считаных минут.

Это уберегает нас от необходимости разбирать прибор для технического обслуживания.

Признаком износа щёток является сильное искрение.

Имеется в виду случай, когда оборудование уже поизносилось. Потому что новые щётки при притирании тоже сильно искрят.

Часто в случае износа может наблюдаться падение мощности. В этом случае дрель не вращает сверло, либо останавливается барабан стиральной машины при номинальной массе загруженного белья.

Не всегда удаётся достать оригинальные щётки, и нужно знать, что эти комплектующие могут быть подточены до необходимых размеров любым шлифовальным инструментом.

Искрение оборотов, срыв

Искрение и даже срыв оборотов могут наблюдаться при загрязнении барабана. В этом случае ротор вынимается, проводится чистка любым подходящим средством (например, спиртом).

Электродвигатель постоянного тока принципиально не отличается от моделей для работы по переменным напряжением

Поэтому все вышесказанное в полной мере относится к любому типу оборудования.

Как работает электродвигатель постоянного тока

Простейший электродвигатель постоянного токаПод токосъёмником у простейшего двигателя всего две секции. Это то, во что выродился барабан коллектора.

Каждая контактная ламель (пластинка на валу) занимает по половине оборота.

Одна щётка имеет положительный потенциал, а вторая отрицательный, сообразно этому меняется направление магнитного поля полюсов.

Активными в каждый момент времени являются только два из них (в описанной выше конструкции).

Что касается статора, то он может быть как в виде постоянного электрического, так и обычного металлического магнита. Последнее применяется, например, в тех же детских машинках.

А теперь о том, как работает электродвигатель постоянного тока. Допустим, в начальный момент времени обмотки расположены так, как показано на рисунке.

В нашем примере полюсов уже не два, как мы обсуждали выше, а три

Именно таково минимальное число для стабильного запуска электрического двигателя постоянного тока в нужном направлении.

Обмотки соединены по схеме звезды, то есть у каждой пары имеется одна общая точка. Поэтому напряжённость поля такого, что существует два полюса отрицательных и один положительный. Постоянный магнит стоит так, как показано на рисунке.

Схема работы электродвигателя постоянного токаКаждую треть оборота происходит перераспределение поля так, что полюса сдвигаются согласно изменению напряжения питания на ламелях.

В результате на второй эпюре мы видим, что номера обмоток сдвинулись, а картина в пространстве осталась той же.

Это и есть залог стабильности: один полюс притягивается к постоянному магниту, а второй отталкивается.

Если нужно получить реверс, то меняется полярность подключения батарейки (аккумулятора). В результате получается два положительных полюса и один отрицательный. А вал будет двигаться против часовой стрелки.

Мы полагаем, что принцип действия электродвигателя постоянного тока теперь предельно понятен. Добавим к этому, что сегодня широко распространены двигатели вентильного типа.

Многие, наверное, задумались о том, как сделать так, чтобы поля чередовались на статоре, а ротор представлял бы собой постоянный магнит. Это как раз и есть в первом приближении двигатель вентильного типа.

Запчасти электродвигателя постоянного токаВ этом случае постоянный ток подаётся на нужные обмотки статора через коммутируемые ключи, например, тиристоры. В результате создаётся нужное распределение поля.

Преимущества такой схемы в снижении количества трущихся частей, которые обычно и являются причиной необходимости обслуживания, либо ремонта.

Однако сам по себе тиристорный блок управления может быть достаточно сложным.

Хотя допускается организовать коммутацию при помощи тех же ламелей. Одновременно вся эта конструкция может служить грубым датчиком положения вала (плюс минус расстояние между контактными площадками по оси вала).

Не стоит думать, что вентильные двигатели это что-то новое

Они широко применяются, но в специфических отраслях. Там, где нужно точно выдержать частоту вращения. В быту вентильные двигатели найти достаточно сложно.

Некое подобие можно лицезреть, к примеру, в стиральной машине. Речь сейчас идёт о помпе для слива воды (ротор магнитный, вот только ток в этом случае переменный).
(См. также: Как самостоятельно заменить насос в стиральной машине)

Технические характеристики электродвигателей постоянного тока лучше, нежели при питании переменным током. По этой причине данный класс устройств широко применяется.

Разрез электродвигателя постоянного токаНо ещё чаще электродвигатели постоянного тока используются при питании от батарей различного рода.

Когда нет выбора. А преимущества такой схемы питания позволяют аккумуляторам дольше продержаться.

Следует отметить, что обмотки статора и ротора можно включать как последовательно, так и параллельно. Последнее применяется при нагруженном в исходном состоянии валу.

В этом случае наблюдается резкое повышение оборотов, что может привести к негативным последствиям, если ротор слишком легко идёт. Но мы уже упоминали о подобных тонкостях в теме про конструирование двигателей своими руками.

Оставить комментарий