2-4. КОЛЛЕКТОРНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Обратимся снова к электродвигателю постоянного тока (рис. 2-2). Проделаем такой опыт: присоединим к зажимам электродвигателя батарейку карманного фонаря, а когда якорь начнет вращаться, быстро перевернем батарейку так, что теперь она будет касаться зажимов электродвигателя другими пластинками. На первый взгляд кажется, что якорь будет вращаться в обратную сторону. Но, проделав этот опыт, вы убедитесь, что якорь электродвигателя будет вращаться в ту же сторону. Ведь при перевертывании батарейки изменилась полярность ее пластинок, приключаемых к зажимам электродвигателя. Следовательно, изменилось направление тока и в якоре и в обмотке возбуждения. По правилу левой руки направление вращения якоря сохранится прежним.

Непрерывное переключение батарейки равносильно тому, что электродвигатель питается переменным током. Разница только в том, что у такого переменного тока очень малая частота, так как перевернуть батарейку можно успеть 3—5 раз в секунду, а переменный ток меняет направление 100 раз в секунду.

Теперь присоединим к зажимам электродвигателя два проводника от понижающего трансформатора с таким же напряжением, как у батарейки. Электродвигатель будет работать, хотя якорь его будет вращаться несколько медленнее, чем при питании постоянным током, так как при переменном токе появилось индуктивное сопротивление обмоток электродвигателя.

Если через 10—15 мин прикоснуться рукой к его корпусу, то заметим, что он нагрелся. При работе от батарейки этого не было. Дело в том, что при питании переменным током появились потери в стенках корпуса и в полюсах от вихревых токов и перемагничивания переменным потоком. Чтобы снизить эти потери, корпус и полюсы однофазного коллекторного электродвигателя переменного тока собирают из штампованных листов электротехнической стали, изолированных один от другого пленкой лака и скрепленных заклепками (рис. 2-6). Чтобы избавиться от заклепок, часто прибегают к склеиванию листов клеем БФ-2, о чем будет сказано в гл. 5. Якорь однофазного коллекторного электродвигателя ничем не отличается от якоря электродвигателя постоянного тока.

На рис. 2-6 листы статора выштампованы вместе с полюсами. При такой форме листов статора катушки наматывают отдельно от статоров на намоточных шаблонах, затем их изолируют лентами и надевают на полюсы. Для того чтобы катушка могла пройти через полюсный наконечник 2, она должна быть шире, чем сердечник полюса. Сначала надевают на полюс одну сторону катушки, а когда она войдет на свое место, натягивают через полюсный наконечник другую сторону. После этого стороны катушки прижимают к боковым сторонам полюса, а между торцами статора и катушкой остается воздушный промежуток. Катушки удерживаются на полюсах отогнутыми крайними листами сердечника, у которых срезаны углы полюсных наконечников.

На рис. 2-7 показана другая конструкция статора с магнитной системой не замкнутой, а открытой формы подковообразного магнита. Это также двухполюсный статор, но катушка у него одна. Такую катушку наматывают непосредственно на сердечник статора, изолировав его предварительно изоляционной гильзой 1 и двумя фланцами 2.

Такая конструкция имеет преимущества при изготовлении самодельных электродвигателей, так как листы статора имеют более простую форму.

Коллекторные электродвигатели переменного тока выполняются только с последовательным возбуждением, так как катушки параллельного возбуждения имели бы при переменном токе слишком большое индуктивное сопротивление. Механическая характеристика однофазного электродвигателя подобна характеристике электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (см. рис. 2-4). Поэтому их применяют в тех случаях, когда от электродвигателя требуются большой пусковой момент и высокая перегрузочная способность.

Коллекторные электродвигатели могут быть рассчитаны на любую частоту вращения, в то время как асинхронные электродвигатели при питании переменным током частотой 50 Гц имеют максимальную синхронную частоту вращения 3 000 об/мин. Это свойство делает коллекторные электродвигатели незаменимыми для таких бытовых приборов как пылесосы. Коллекторные электродвигатели в 2—3 раза легче асинхронных однофазных двигателей.

Коллекторные электродвигатели могут быть выполнены на низкое напряжение с питанием от понижающего трансформатора и на напряжение сети 127 или 220 В. Двигатели низкого напряжения в целях снижения опасности поражения электрическим током применяются в движущихся игрушках (электрические железные дороги, подъемные краны).

Электродвигатели, питаемые от сети переменного тока, используются в пылесосах, швейных машинах, электробритвах и других электробытовых приборах.

Итак, коллекторный электродвигатель, у которого магнитная система выполнена из штампованных листов, может питаться током от сети постоянного или переменного тока. Но номинальные данные такого электродвигателя будут различными в зависимости от рода тока. Для того чтобы получить электродвигатель с примерно одинаковыми номинальными данными при питании его от сети постоянного или переменного тока, обмотку возбуждения выполняют с дополнительным выводом. При работе от сети постоянного тока включают все витки катушек возбуждения, а при питании переменным током только часть витков (рис. 2-8). Такие электродвигатели называются универсальными.

Коллекторные электродвигатели переменного тока, так же как и электродвигатели постоянного тока, легко поддаются плавному регулированию частоты вращения в широких пределах. Обычно регулирование выполняется включением переменного сопротивления в один из проводов, соединяющих электродвигатель с источником питания.

2-5. РАДИОПОМЕХИ

Коллекторные электродвигатели сложны в изготовлении и требуют наблюдения и ухода за щетками и поверхностью коллектора. При работе электродвигателя происходит искрение под щетками. Вследствие этого поверхность коллектора темнеет, а щетки и пластины коллектора быстро изнашиваются. Ведь маленькие искорки — это электрические дуги, имеющие высокую температуру.

Искрение под щетками при переменном токе проявляется сильнее, чем при постоянном. Это объясняется тем, что в замкнутой щеткой секции обмотки якоря наводится еще трансформаторная э.д.с., которой не было в электродвигателе постоянного тока.

Вредное влияние искрения на коллекторе заключается не только в изнашивании щеток и коллектора. При искрении создаются электромагнитные колебания, которые улавливаются радиоприемными устройствами. Стоит включить коллекторный электродвигатель, например пылесоса, как в динамиках радиоприемников и телевизоров послышатся трески, а на экране телевизора появятся светящиеся полосы, искажающие изображения.

Для снижения помех радиоприему электродвигатели снабжают фильтрами, состоящими из конденсаторов. Но полностью освободиться от помех не удается. Поэтому в электробытовых приборах стремятся всюду, где это возможно, заменить коллекторные электродвигатели асинхронными, которые не имеют щеток и коллектора, просты по устройству, надежны в работе и не создают помех радиоприему.

2-6. УСТРОЙСТВО КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Рассмотрим устройство нескольких типов коллекторных электродвигателей заводского изготовления. Из них самым простым является электродвигатель постоянного тока типа ДП-4 мощностью 1,5 Вт, напряжением 3,5 В и частотой вращения 2 000—2 500 об/мин. Он питается от батарейки карманного фонаря. В целях упрощения конструкции он не имеет катушек возбуждения, а магнитный поток создается постоянным магнитом 17 (рис. 2-9), имеющим форму параллелепипеда. К торцам магнита приставлены стальные пластины 14, образующие два полюсных наконечника. Магнит и пластины запрессованы в пластмассовый корпус 5. Поэтому никаких крепежных винтов в этом электродвигателе нет. Левая крышка представляет собой одно целое с корпусом, а правая при сборке скрепляется с корпусом при помощи клея. Вал 1 вращается в двух подшипниках 2, представляющих собой бронзовые втулочки.

Сердечник якоря собран из штампованных стальных листов 15, имеющих три зубца и три паза. Принятая форма якоря позволяет наматывать на станке катушки якорной обмотки на выступающие зубцы, а не вкладывать их в пазы. Это намного снижает трудоемкость обмотки якоря. К торцам сердечника якоря приклеены изоляционные пластины 4, а на вал надеты изоляционные втулки 3, предохраняющие от замыкания проводов обмотки якоря на сердечник и на вал.

Выводные концы якорной обмотки 16 припаяны к пластинам коллектора. Пластины коллектора 10 представляют собой медные полоски, которые скреплены с изоляционными втулками 6 и 7 при помощи отогнутых усиков и клея. К пластинам коллектора прижимаются две щетки 9, припаянные к бронзовым пластинкам 8, которые одновременно служат и проводниками тока якоря. Концы пластинок вставлены в пазы крышки 12. В этих пазах закреплены лепестки 11, к которым припаяны проводники 13, соединяющие электродвигатель с батарейкой. Якорь электродвигателя можно реверсировать, меняя полярность подводимого к двигателю тока при помощи переключателя (рис. 2-3). Электродвигатели ДП-4 имеются в продаже и применяются для различных игрушек и действующих моделей, например собранных из деталей «Конструктора».

На рис. 2-10 показано устройство электродвигателя мощностью 18 Вт при 4 000 об/мин и напряжении сети 127 и 220 В. Он может работать от сети как постоянного, так и переменного тока. Такие электродвигатели применяются для многих бытовых электроприборов, требующих большого пускового момента и широкой регулировки частоты вращения, например для электропривода швейных машин.

Якорь электродвигателя собран из круглых штампованных листов 18, в которых имеются пазы для вкладывания проводов обмотки якоря. Листы сердечника якоря склеены и напрессованы на вал 1. Выводы от обмотки якоря припаяны к медным пластинам коллектора 11. Пакет статора собран из штампованных листов 14 электротехнической стали и залит в алюминиевую оболочку 17.

На полюсы 16, выштампованные вместе с сердечником статора, надеты катушки возбуждения 15, намотанные из эмалированного медного провода и изолированные лентой из лакоткани. Обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем. Благодаря этому электродвигатель имеет большую перегрузочную способность, необходимую при работе в разных режимах нагрузки.

К торцевым поверхностям статора прикреплены винтами 4, проходящими через отверстия в сердечнике статора, передняя 10 и задняя 3 крышки, отлитые из алюминиевого сплава. В крышках смонтированы втулки 2 подшипников скольжения, имеющие шарообразную наружную поверхность. Благодаря этому они всегда устанавливаются своими отверстиями вдоль оси вала.

Для подвода тока к обмотке якоря служат две щетки 9, спрессованные из графитно-угольных порошков. Щетки вставлены в гнезда латунных втулок 8, запрессованных в отверстия крышки 10 и изолированных от нее гильзами из пластмассы 7. Подвод тока к щетке осуществляется при помощи медного гибкого канатика, проходящего внутри пружины, прижимающей щетку к коллектору. Один конец канатика заделай в тело щетки, а другой припаян к контактной пластине 6. На наружном конце втулки 8 нарезана резьба, на которую навинчен изоляционный колпачок 5. К корпусу электродвигателя скобой 12 прикреплена колодка 13 переключения электродвигателя на напряжение сети 127 или 220 В.

В последнее время широкое распространение получили электродвигатели постоянного тока с печатными обмотками якоря. На рис. 2-11 показано устройство такого электродвигателя, имеющего существенные отличия от двигателей с проволочными обмотками. В радиотехнике печатные схемы применяют уже давно, заменяя ими проволочные резисторы, индуктивности и емкости. Для возбуждения использовано восемь (по числу полюсов электродвигателя) постоянных магнитов 1. Они закреплены в стальном кольце 2. С другого конца к ним прикреплены полюсные наконечники трапецеидальной формы 4, Все эти детали установлены в левой части алюминиевого корпуса. В правой его части укреплено второе магнитное кольцо 2. Между этими кольцами и полюсными наконечниками образуется узкая щель, в которой вращается якорь 5. Половины корпуса скреплены винтами.

Якорь представляет собой тонкий диск, изготовленный из стеклотекстолита. Обе стороны его покрыты тонкой фольгой, на которой и отпечатаны методом травления провода обмотки. Активные стороны 6 проводов расположены на диске радиально, а лобовые соединения 7—наклонно. На рис. 2-11 сплошными линиями показаны провода на передней стороне диска, а штриховыми — провода на обратной его стороне. Они соединяются друг с другом через просверленные в диске отверстия, на стенках которых осаждена медь. Щеткодержатели со щетками 3 запрессованы в корпусе на расстоянии одного полюсного деления один от другого. Щетки прилегают непосредственно к проводам якоря, поэтому коллектор в таком электродвигателе отсутствует. Диск якоря закреплен на втулке, надетой на вал и заштифтованной на нем. Вал вращается в шарикоподшипниках.

Якорь с печатной обмоткой в 7—8 раз легче обычных якорей, собранных из штампованных стальных листов, значительно упрощаются процессы изготовления якоря, хорошее охлаждение обмотки допускает большие плотности тока (до 40 А/мм²). Благодаря малой инерции якорь быстро разгоняется, поэтому электродвигатели с печатной обмоткой якоря применяют в быстродействующих следящих системах, устройствах автоматики и различных приборах.

В электродвигателях с обмоткой якоря, вкладываемой в пазы, проштампованные в стальных листах, процессы штамповки и особенно укладки проводов в пазы являются самыми сложными. Последние достижения химии, связанные с разработкой клеящих составов, обладающих после затвердения большой механической прочностью, дали возможность не вкладывать провода обмотки в пазы, а приклеивать их к гладкой поверхности цилиндрического якоря. На рис. 2-12 схематически показано устройство такого якоря. На вал 1 набраны листы 2 якоря без пазов. К ним при помощи эпоксидного клея 4 приклеены провода 5 обмотки якоря. Для повышения механической прочности каждый слой обмотки обернут стеклолентой 3.

Электродвигатель с гладким якорем имеет лучшие характеристики, чем электродвигатель обычного типа. Он может развивать при пуске вращающий момент, равный 10-кратному номинальному моменту, поэтому валы таких электродвигателей делают усиленными. Электродвигатели с гладким якорем выполняют без вентиляторов, гак как обмотка якоря хорошо охлаждается благодаря хорошим условиям теплоотдачи с поверхности якоря. Конструкция гладкого якоря представляет большой интерес для самодельных электродвигателей в связи со значительным упрощением процессов изготовления.

Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов
Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Москва 1974
Содержание