מנועי זרם חילופין עם מברשות (הידועים בדרך כלל כמנועים אוניברסליים חד-פאזיים) נמצאים בשימוש נרחב במכשירי חשמל ביתיים מהירים כמו שואבי אבק ומייבשי שיער. סלילי הסטטור והרוטור שלהם מחוברים בטור. גם כאשר הם מוזנים בזרם חילופין (AC) המשנה כל הזמן את כיוונו, הקטבים המגנטיים של הסטטור והרוטור משנים קוטביות בו-זמנית, ובכך שומרים על כיוון קבוע של מומנט הסיבוב.
בניגוד למגנטים הקבועים של מנועי זרם ישר (DC) עם מברשות, הסטטור של מנוע זרם חילופין עם מברשות מורכב מסט של סלילים אלקטרומגנטיים. כאשר מוחל זרם חילופין, הקוטביות (קטבי N/S) של אלקטרומגנט הסטטור מתחלפת עם כיוון זרם החילופין.
מבנה ה'סליל הטורי' של המנוע אומר שהזרם היוצא ממקור מתח החילופין זורם תחילה דרך סלילי הסטטור האלקטרומגנטיים, לאחר מכן דרך מברשות הפחם ומקטעי הקומוטטור אל סלילי הרוטור, ולבסוף חוזר לספק הכוח. המשמעות היא שהזרמים הזורמים דרך הסטטור והרוטור משתנים בסנכרון מושלם.
כאשר זרם החילופין משתנה מחיובי לשלילי, השדה המגנטי של הסטטור מתהפך (למשל, הצד השמאלי משתנה מ-N ל-S). באותו שבר שני ממש, גם הזרם הזורם דרך סלילי הרוטור מתהפך, מה שגורם לקטבים המגנטיים של הרוטור לשנות קוטביות בסנכרון! לפי חוקי המשיכה המגנטית, מכיוון ששני הקטבים המגנטיים מתהפכים בו-זמנית, כיווני הדחייה והמשיכה אינם משתנים, והמנוע ממשיך להסתובב בכיוונו המקורי!
בהדגמה אינטראקטיבית זו, תוכלו לראות את המצב הפיזיקלי של מנוע אוניברסלי המונע על ידי זרם חילופין חד-פאזי (AC 220V). במהלך מחזורי החצי החיוביים והשליליים של גל הסינוס של זרם החילופין, כיוון השדה המגנטי של אלקטרומגנט הסטטור וקוטביות סליל הרוטור מתהפכים יחד. זה שומר על מומנט הסיבוב נטו מכוון עם כיוון השעון, מה שמאפשר למנוע לפעול בצורה חלקה ובמהירות גבוהה תחת כוח זרם חילופין בשילוב עם מיתוג המקטעים של הקומוטטור.
טוען...
| שלב | מצב חצי מחזור AC | קוטביות הסטטור (שמאל/ימין) | מקטע מגע מברשת (+) | מקטע מגע מברשת (-) | מצב מומנט אלקטרומגנטי |
|---|
הסטטור של מנוע זרם ישר עם מברשות הוא מגנט קבוע שכיוון השדה המגנטי שלו קבוע. אם הוא יחובר למתח חילופין, כאשר הזרם מתהפך, כיוון השדה המגנטי של הסטטור יישאר ללא שינוי, אך הזרם הזורם לתוך סליל הרוטור יתהפך, מה שיגרום גם למומנט האלקטרומגנטי להתהפך. כתוצאה מכך, המנוע רק ירטוט או ינוע קדימה ואחורה בעוצמה בשדה המגנטי המשתנה בתדר 50 הרץ, ולא יצליח להסתובב בכיוון אחד. לעומת זאת, מכיוון שהסטטור והרוטור של מנוע אוניברסלי מחוברים בטור, הקוטביות שלהם מתהפכת בסנכרון ('שני מינוסים יוצרים פלוס'), מה שמאפשר למנוע להסתובב בצורה חלקה בכיוון אחד.
מנוע אוניברסלי (הידוע גם כמנוע טורי) נקרא כך מכיוון שהוא יכול לפעול הן על זרם חילופין (AC) חד-פאזי והן על זרם ישר (DC). מכיוון שמומנט הפעולה שלו תלוי רק במכפלת כיווני זרם הסטטור והרוטור, הפעלת זרם ישר או זרם חילופין יוצרת מומנט הנעה באותו כיוון. הוא מציע מהירויות סיבוב גבוהות במיוחד, כוונון מהירות קל באמצעות ויסות מתח, והוא חסכוני מאוד.
הם נמצאים בשימוש נרחב במכשירי חשמל ביתיים ובכלי עבודה חשמליים הדורשים מהירויות גבוהות במיוחד ומומנט חזק לפרקי זמן קצרים יחסית. דוגמאות כוללות:
• שואבי אבק: נדרשות מהירויות גבוהות כדי לייצר יניקת תת-לחץ (בדרך כלל 20,000 עד 40,000 סל"ד).
• מייבשי שיער: נדרשים אימפלרים מהירים כדי לספק נפח זרימת אוויר גבוה.
• מקדחות ידניות ומשחזות זווית: מספקות כוח נייד בעל מומנט גבוה לחיתוך מתכת ועץ.
• בלנדרים ומעבדי מזון: נדרשות מהירויות גבוהות כדי לרסק סיבי מזון.
ישנם שני מקורות רעש עיקריים:
• חיכוך מברשת בתדר גבוה: מברשות הפחם ומקטעי הקומוטטור יוצרים קולות חיכוך פיזיים עזים וניצוצות חשמליים קטנים בזמן סיבוב בעשרות אלפי סל"ד.
• שריקת זרימת אוויר במהירות גבוהה: מהירויות פעולה של עשרות אלפי סל"ד גבוהות בהרבה מאלו של מנועי השראה סטנדרטיים (בדרך כלל מקסימום 3,000 סל"ד). להבי המאוורר או ליבת הרוטור החותכים את האוויר במהירויות כאלה מייצרים חיכוך אוויר רועש ושריקות. זו גם הסיבה שמייבשי שיער ושואבי אבק מתקדמים עוברים ל-'מנועי DC ללא מברשות במהירות גבוהה (BLDC)' לפעולה שקטה יותר.