Jednofazowe silniki szczotkowe prądu przemiennego (powszechnie znane jako silniki uniwersalne) są szeroko stosowane w wysokoobrotowych urządzeniach gospodarstwa domowego, takich jak odkurzacze i suszarki do włosów. Ich uzwojenia stojana i wirnika są połączone szeregowo. Nawet przy zasilaniu prądem przemiennym (AC), którego kierunek stale się zmienia, bieguny magnetyczne stojana i wirnika zmieniają biegunowość jednocześnie, zachowując w ten sposób stały kierunek momentu obrotowego.
W przeciwieństwie do magnesów trwałych w silnikach szczotkowych prądu stałego (DC), stojan silnika szczotkowego prądu przemiennego (AC) składa się z zestawu cewek elektromagnetycznych. Po przyłożeniu prądu przemiennego biegunowość (bieguny N/S) elektromagnesu stojana zmienia się wraz z kierunkiem prądu przemiennego.
Struktura „uzwojenia szeregowego (wzbudzenia szeregowego)” silnika oznacza, że prąd wyjściowy ze źródła prądu przemiennego najpierw przepływa przez cewki elektromagnetyczne stojana, następnie przez szczotki węglowe i wycinki komutatora do cewek wirnika, a na koniec wraca do zasilacza. Oznacza to, że prądy płynące przez stojan i wirnik zmieniają się w doskonałej synchronizacji.
Gdy prąd przemienny zmienia się z dodatniego na ujemny, pole magnetyczne stojana odwraca się (np. lewa strona zmienia się z N na S). W tym samym momencie prąd płynący przez cewki wirnika również się odwraca, powodując synchroniczną zmianę biegunowości biegunów magnetycznych wirnika! Zgodnie z prawami przyciągania magnetycznego, ponieważ oba bieguny magnetyczne odwracają się w tym samym czasie, kierunki odpychania i przyciągania nie zmieniają się, a silnik nadal obraca się w swoim pierwotnym kierunku!
W tej interaktywnej prezentacji można zobaczyć stan fizyczny silnika uniwersalnego zasilanego jednofazowym prądem przemiennym (AC 220 V). Zarówno podczas dodatniej, jak i ujemnej połówki sinusoidalnego prądu przemiennego, kierunek pola magnetycznego elektromagnesu stojana i biegunowość uzwojenia wirnika zmieniają się jednocześnie. Dzięki temu wypadkowy moment obrotowy jest skierowany zgodnie z ruchem wskazówek zegara, co w połączeniu z sekwencyjnym przełączaniem wycinków komutatora pozwala silnikowi na płynną i szybką pracę przy zasilaniu prądem przemiennym.
Ładowanie...
| Krok | Status połówki cyklu AC | Biegunowość stojana (Lewy/Prawy) | Wycinek szczotki (+) | Wycinek szczotki (-) | Status momentu elektromagnetycznego |
|---|
Stojan silnika szczotkowego prądu stałego (DC) jest magnesem trwałym, którego kierunek pola magnetycznego jest stały. W przypadku podłączenia do prądu przemiennego (AC), gdy prąd zmienia kierunek, kierunek pola magnetycznego stojana pozostaje niezmienny, ale prąd wpływajacy do cewki wirnika odwraca się, powodując również odwrócenie momentu elektromagnetycznego. W rezultacie silnik będzie jedynie gwałtownie oscylował lub wibrował w przód i w tył w naprzemiennym polu magnetycznym o częstotliwości 50 Hz, nie mogąc obracać się w jednym kierunku. Natomiast ponieważ stojan i wirnik silnika uniwersalnego są połączone szeregowo, ich biegunowości odwracają się synchronicznie („dwa minusy dają plus”), co umożliwia płynne obracanie się silnika w jednym kierunku.
Silnik uniwersalny (znany również jako silnik szeregowy) zawdzięcza swoją nazwę temu, że może pracować zarówno przy zasilaniu jednofazowym prądem przemiennym (AC), jak i prądem stałym (DC). Ponieważ moment obrotowy zależy wyłącznie od iloczynu kierunków prądu stojana i wirnika, zastosowanie prądu stałego lub przemiennego generuje moment napędowy w tym samym kierunku. Oferuje niezwykle wysokie prędkości obrotowe, łatwą regulację prędkości poprzez regulację napięcia i jest bardzo ekonomiczny.
Są one szeroko stosowane w urządzeniach gospodarstwa domowego i elektronarzędziach, które wymagają bardzo wysokich prędkości obrotowych i dużego momentu obrotowego przez stosunkowo krótki czas. Przykłady obejmują:
• Odkurzacze: Wysokie obroty są wymagane do wytworzenia podciśnienia ssącego (zazwyczaj 20 000 do 40 000 obr./min).
• Suszarki do włosów: Szybkoobrotowe wirniki są potrzebne do dostarczenia dużej objętości powietrza.
• Wiertarki ręczne i szlifierki kątowe: Zapewniają przenośną moc o wysokim momencie obrotowym do cięcia metalu i drewna.
• Blendery i roboty kuchenne: Wysokie obroty są potrzebne do rozdrabniania składników spożywczych.
Istnieją dwa główne źródła hałasu:
• Wysokoczęstotliwościowe tarcie szczotek: Szczotki węglowe i wycinki komutatora wytwarzają intensywne odgłosy tarcia fizycznego i drobne przeskoki łuku elektrycznego podczas obracania się z prędkością kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę.
• Gwizd powietrza przy dużych prędkościach: Prędkości robocze rzędu kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę są znacznie wyższe niż w przypadku standardowych silników indukcyjnych (zazwyczaj maks. 3000 obr./min). Łopatki wentylatora lub rdzeń wirnika przecinający powietrze przy takich prędkościach generują głośny świst powietrza. Jest to również powód, dla którego wysokiej klasy suszarki do włosów i odkurzacze przechodzą na „szybkoobrotowe bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC)” w celu zapewnienia cichszej pracy.