Коллекторные двигатели переменного тока (обычно известные как однофазные универсальные двигатели) широко используются в высокоскоростных бытовых приборах, таких как пылесосы и фены. Обмотки их статора и ротора соединены последовательно. Даже при питании от переменного тока (AC), который постоянно меняет направление, магнитные полюса статора и ротора меняют полярность одновременно, тем самым сохраняя постоянное направление крутящего момента.
В отличие от постоянных магнитов коллекторных двигателей постоянного тока, статор двигателя переменного тока состоит из набора электромагнитных катушек. При подаче переменного тока полярность (полюса N/S) электромагнита статора чередуется в соответствии с направлением переменного тока.
Последовательное соединение обмоток двигателя означает, что ток от источника переменного тока сначала проходит через электромагнитные катушки статора, затем через угольные щетки и пластины коллектора попадает в катушки ротора и, наконец, возвращается в источник питания. Это означает, что токи, протекающие через статор и ротор, изменяются в идеальной синхронизации.
Когда переменный ток меняется с положительного на отрицательный, магнитное поле статора меняет направление (например, левая сторона меняется с N на S). В тот же самый момент ток, протекающий через катушки ротора, также меняет направление на противоположное, заставляя магнитные полюса ротора синхронно менять полярность! Согласно законам магнитного притяжения, поскольку оба магнитных полюса меняют направление одновременно, направления отталкивания и притяжения не меняются, и двигатель продолжает вращаться в исходном направлении!
В этой интерактивной демонстрации вы можете увидеть физическое состояние универсального двигателя, работающего от однофазного переменного тока (AC 220V). Как в течение положительного, так и отрицательного полупериодов синусоидального переменного тока направление магнитного поля электромагнита статора и полярность обмотки ротора меняются одновременно. Это удерживает результирующий крутящий момент направленным по часовой стрелке, что в сочетании с сегментированным переключением коллектора позволяет двигателю плавно и на высокой скорости работать от переменного тока.
Загрузка...
| Шаг | Статус полупериода AC | Полярность статора (Левый/Правый) | Контакт щетки (+) с сегм. | Контакт щетки (-) с сегм. | Статус электромагнитного момента |
|---|
Статор коллекторного двигателя постоянного тока представляет собой постоянный магнит, направление магнитного поля которого фиксировано. При подключении к источнику переменного тока, когда ток меняет направление, направление магнитного поля статора остается неизменным, но ток, протекающий в катушку ротора, меняется на противоположный, что приводит к изменению направления крутящего момента. В результате двигатель будет лишь сильно колебаться или вибрировать вперед-назад в переменном магнитном поле частотой 50 Гц, не вращаясь в одном направлении. Напротив, поскольку статор и ротор универсального двигателя соединены последовательно, их полярности меняются синхронно («минус на минус дает плюс»), что позволяет двигателю плавно вращаться в одном направлении.
Универсальный двигатель (также известный как двигатель последовательного возбуждения) назван так потому, что он может работать как от однофазного переменного тока, так и от постоянного тока. Поскольку его рабочий момент зависит только от произведения направлений токов статора и ротора, подача как постоянного, так и переменного тока создает крутящий момент в одном и том же направлении. Он обеспечивает чрезвычайно высокие скорости вращения, легкую регулировку скорости изменением напряжения и является очень экономичным.
Они широко используются в бытовой технике и электроинструментах, требующих очень высоких скоростей и сильного крутящего момента в течение относительно коротких периодов времени. Примеры включают:
• Пылесосы: Высокие скорости необходимы для создания разрежения воздуха (обычно от 20 000 до 40 000 об/мин).
• Фены: Высокоскоростные крыльчатки необходимы для подачи большого объема воздуха.
• Дрели и угловые шлифмашины (болгарки): Обеспечивают портативную мощность с высоким крутящим моментом для резки металла и дерева.
• Блендеры и кухонные комбайны: Высокие скорости необходимы для измельчения волокон пищи.
Существует два основных источника шума:
• Высокочастотное трение щеток: Угольные щетки и пластины коллектора создают интенсивные звуки физического трения и крошечные щелчки электрической дуги при вращении со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту.
• Свист высокоскоростного воздушного потока: Рабочие скорости в десятки тысяч оборотов в минуту намного выше, чем у стандартных асинхронных двигателей (обычно макс. 3000 об/мин). Лопасти вентилятора или сердечник ротора, разрезающие воздух на таких скоростях, создают громкое трение воздуха и свист. Это также причина, по которой фены и пылесосы премиум-класса переходят на «высокоскоростные бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)» для более тихой работы.