Содержание
Рассмотрим отдельные аспекты конструирования. Не станем обещать изготовление вечного двигателя, по типу творения, приписываемого Тесле, но рассказ предвидится интересным. Не станем тревожить читателей скрепками и батарейками, предлагаем поговорить, как приспособить уже готовый мотор под собственные цели. Известно, что конструкций масса, все используются, но современная литература базовые основы оставляет за кормой. Авторы проштудировали учебник прошлого века, изучая, как сделать электродвигатель собственноручно. Теперь предлагаем окунуться в знания, составляющие базис специалиста.
Почему в быту часто применяются коллекторные двигатели
Коллекторный тип двигателя
Если брать фазу на 220В, принцип работы электродвигателя на коллекторе позволяет изготовить устройства в 2-3 раза менее массивные, нежели при использовании асинхронной конструкции. Это важно при изготовлении приборов: ручные блендеры, миксеры, мясорубки. Помимо прочего, асинхронный двигатель сложно разогнать выше 3000 оборотов в минуту, для коллекторных указанное ограничение отсутствует. Что делает устройства единственно пригодными для реализации конструкций центрифужных соковыжималок, не говоря уже о пылесосах, где скорость часто не ниже.
Отпадает вопрос, как сделать регулятор оборотов электродвигателя. Задача давно решена путём отсечки части цикла синусоиды питающего напряжения. Это возможно, ведь коллекторному двигателю нет разницы, питаться переменным или постоянным током. В первом случае падают характеристики, но с явлением мирятся по причине очевидных выгод. Работает электродвигатель коллекторного типа и в стиральной машине, и в посудомоечной. Хотя скорости сильно отличаются.
Легко сделать и реверс. Для этого меняется полярность напряжения на одной обмотке (если затронуть обе, направление вращения останется прежним). Иная задача – как сделать двигатель с подобным количеством составных частей. Сделать самостоятельно коллектор вряд ли удастся, но намотать заново и подобрать статор вполне реально. Заметим, что от числа секций ротора зависит скорость вращения (аналогично амплитуде питающего напряжения). А на статоре лишь пара полюсов.
Наконец, при использовании указанной конструкции удаётся создать устройство универсальное. Работает двигатель без труда и от переменного, и от постоянного тока. Просто на обмотке делают отвод, при включении от выпрямленного напряжения задействуют полностью витки, а при синусоидальном исключительно часть. Это позволяет сохранить номинальные параметры. Сделать примитивный электродвигатель коллекторного типа не выглядит простой задачей, зато удастся целиком приспособить параметры под собственные нужды.
Особенности работы коллекторных двигателей
В коллекторном двигателе не слишком полюсов на статоре. Если говорить точнее, всего два — северный и южный. Магнитное поле в противовес асинхронным двигателям здесь не вращается. Вместо этого меняется положение полюсов на роторе. Подобное положение дел обеспечивается тем, что щётки постепенно движутся по секциям медного барабана. Особой намоткой катушек обеспечивается должное распределение. Полюса словно скользят по кругу ротора, толкая его в нужном направлении.
Для обеспечения режима реверса достаточно поменять полярность питания любой обмотки. Ротор в этом случае называется якорем, а статор – возбудителем. Включать эти цепи допустимо параллельно друг другу либо последовательно. И тогда начнут значительно изменяться характеристики прибора. Это описывается механическими характеристиками, взгляните на прилагающийся рисунок, чтобы представить утверждаемое. Здесь условно показаны графики для двух случаев:
График изменения характеристик прибора
- При параллельном питании возбудителя (статора) и якоря (ротора) коллекторного двигателя постоянным током его механическая характеристика почти горизонтальна. Это значит, что при изменении нагрузки на вал сохраняется номинальная частота вращения вала. Это применяется на обрабатывающих станках, где изменение оборотов не лучшим образом сказывается на качестве. В результате деталь вращается при касании её резцом резво, как при старте. Если препятствующий момент слишком возрастает, происходит срыв движения. Двигатель останавливается. Резюме: если хотите двигатель от пылесоса применить для создания металлообрабатывающего (токарного) станка, предлагается обмотки соединить параллельно, ведь в бытовой технике доминирует иной тип включения. Причём ситуация объяснима. При параллельном питании обмоток переменным током образуется слишком большое индуктивное сопротивление. Указанную методику следует применять с осторожностью.
- При последовательном питании ротора и статора у коллекторного двигателя появляется прелестное свойство – большой крутящий момент на старте. Такое качество активно используется для страгивания трамваев, троллейбусов и, вероятно, электропоездов. Главное, что при увеличении нагрузки обороты не срываются. Если запустить в таком режиме коллекторный двигатель на холостом ходу, скорость вращения вала будет расти безмерно. Если мощность мала – десятки Вт – беспокоиться не стоит: сила трения подшипников и щёток, возрастание токов индукции и явление перемагничивания сердечника вкупе затормозят рост на конкретном значении. В случае промышленных агрегатов либо упомянутого пылесоса, когда его двигатель извлекли из корпуса, повышение скорости идёт лавинообразно. Центробежная сила оказывается столь велика, что нагрузки способны разорвать якорь. Поосторожнее при запуске коллекторных двигателей с последовательным возбуждением.
Коллекторные двигатели с параллельным включением обмоток статора и ротора отлично поддаются регулировке. За счёт внедрения реостата в цепь возбудителя удаётся значительно поднять обороты. А если такой присоединить в ветвь якоря, вращения, напротив, замедлится. Это массово используется в технике для достижения нужных характеристик.
Конструкция коллекторного двигателя и связь её с потерями
При конструировании коллекторных двигателей принимаются во внимание сведения, касающиеся потерь. Выделяются трёх видов:
- Электрическими принято называть тепловые потери при движении токов по проводникам. Для снижения указанной величины обмотки выполняются из меди, имеющей наименьшее удельное сопротивление из доступных материалов. Понятно, что лучше взять серебро, а золото – просто отлично, но это слишком дорого. Тепловые потери зависят от сечения. Нельзя выбирать толщину проводников слишком малой. С этой точки зрения она ограничивается рассеиваемой мощностью, не меньше реально присутствующей в двигателе. Иначе обмотка сгорит. Слишком толстые проводники из меди, впрочем, сделают двигатель громоздким и тяжёлым, плюс – дорогим. Важное дополнение: двигатели обязаны сопровождаться средствами защиты. Уместны термопредохранители или реле, находятся в свободной продаже. А значения срабатывания выбираются ниже температуры выгорания обмотки (изоляции). Обычно 135 градусов Цельсия. Технические данные на предельные температуры проводов приводятся в характеристиках (data sheet).
Коллекторы
- Магнитные потери возникают в сердечнике якоря. Кажется, логично сделать из стали, но это недопустимо. Он изготавливается из изолированных друг от друга пластин, как сердечник трансформатора. В противном случае вращающийся в магнитном поле статора металл станет подобен индукционной кухонной плитке. Листы разделены слоем лака. Используется специальная электротехническая сталь с повышенным содержанием кремния. Это приводит к увеличению удельного сопротивления материала, что вызывает снижение значений вихревых токов. Наконец, сталь берётся мягкой и специально обработанной для снижения остаточного магнетизма. Если двигатель работает на постоянном токе, корпус и статор допустимо изготавливать из сплошных кусков металла. Когда работа идёт от сети 220В или 380В, прилегающие детали выполняются листовыми с разделением послойно посредством лака.
- Про механические потери уже говорилось выше. Они служат паразитным эффектом, вдобавок уберегают маломощный коллекторный двигатель с последовательным возбуждением от выхода из строя. Благодаря тому, что обороты не выйдут за предел по скорости.
Обычно при питании коллекторного двигателя переменным током используется последовательное включение обмоток. В противном случае выходит слишком большое индуктивное сопротивление.
К сказанному добавим, что при питании коллекторного двигателя переменным током вступает в роль индуктивное сопротивление обмоток. Поэтому при одинаковом действующем напряжении частота оборотов понизится. Полюса статора и корпус уберегаются от магнитных потерь. В необходимости этого легко убедиться на простом опыте: питайте маломощный коллекторный двигатель от батарейки. Его корпус останется холодным. Но если теперь подать переменный ток с прежним действующим значением (по показаниям тестера), картина изменится. Теперь корпус коллекторного двигателя начнёт греться.
Эскиз сбора статора в поперечном срезе и сбоку
Потому даже кожух стараются собрать из листов электротехнической стали, клепая либо склеивая при помощи БФ-2 и аналогов. Наконец, дополним сказанное утверждением: листы набираются по поперечному срезу. Часто статор собирается по эскизу, показанному на рисунке. В этом случае катушка наматывается отдельно по шаблону, потом изолируется и надевается обратно, упрощая сборку. Что касается методик, проще нарезать сталь на плазменном станке, и не думать о цене мероприятия.
Проще найти (на свалке, в гараже) уже готовую форму для сборки. Потом уже намотать под неё катушки из медной проволоки с лаковой изоляцией. Заведомо диаметр подбирается больше. Вначале готовую катушку натягивают на первый выступ сердечника, потом на второй. Прижимают проволоку так, что по торцам остаётся небольшой воздушный зазор. Считается, подобное не критично. Чтобы держалось, у двух крайних пластин острые углы срезаются, оставшаяся серёдка отгибается наружу, отжимая торцы катушки. Это поможет собрать двигатель по заводским меркам.
Часто (особенно в блендерах) находится разомкнутый сердечник статора. Это не искажает форму магнитного поля. Раз полюс единственный, особой мощности ожидать не приходится. Форма сердечника напоминает букву П, между ножками литеры в магнитном поле вертится ротор. Под устройство сделаны кругообразные прорези в нужных местах. Подобный статор нетрудно собрать самостоятельно из старого трансформатора. Это проще, нежели сделать электродвигатель с нуля.
Сердечник в месте намотки изолируется стальной гильзой, по бокам – диэлектрическим фланцами, вырезанными из любого подходящего пластика.
