Колекторні двигуни змінного струму (зазвичай звані однофазними універсальними двигунами) широко використовуються у високошвидкісних побутових приладах, таких як пилососи та фени. Їхні обмотки статора та ротора з'єднані послідовно. Навіть при живленні від змінного струму (AC), який постійно змінює свій напрямок, магнітні полюси статора та ротора змінюють полярність одночасно, завдяки чому підтримується постійний напрямок обертального моменту.
На відміну від постійних магнітів колекторних двигунів постійного струму, статор двигуна змінного струму складається з набору електромагнітних котушок. При подачі змінного струму полярність (полюси N/S) електромагніту статора змінюється разом із напрямком змінного струму.
«Послідовна обмотка (послідовне збудження)» двигуна означає, що струм від джерела змінного струму спочатку тече через електромагнітні котушки статора, потім через вугільні щітки та сегменти колектора в котушки ротора і, нарешті, повертається до джерела живлення. Це означає, що струми, які протікають через статор і ротор, змінюються в ідеальній синхронності.
Коли змінний струм змінюється з позитивного на негативний, магнітне поле статора реверсується (наприклад, ліва сторона змінюється з N на S). У ту саму частку секунди струм, що протікає через котушки ротора, також реверсується, змушуючи магнітні полюси ротора змінювати полярність синхронно! Відповідно до законів магнітного притягання, оскільки обидва магнітні полюси реверсуються одночасно, напрямки відштовхування та притягання не змінюються, і двигун продовжує обертатися у своєму початковому напрямку!
У цій інтерактивній демонстрації ви можете побачити фізичний стан універсального двигуна, що працює від однофазного змінного струму (AC 220V). Під час як позитивного, так і негативного напівперіоду синусоїдального змінного струму напрямок магнітного поля електромагніту статора та полярність обмотки ротора змінюються разом. Це забезпечує те, що результуючий обертальний момент спрямований за годинниковою стрілкою, що в поєднанні з сегментним перемиканням колектора дозволяє двигуну працювати плавно та на високій швидкості під дією змінного струму.
Завантаження...
| Крок | Статус напівперіоду AC | Полярність статора (Лівий/Правий) | Сегмент контакту щітки (+) | Сегмент контакту щітки (-) | Статус електромагнітного моменту |
|---|
Статор двигуна постійного струму є постійним магнітом, напрямок магнітного поля якого фіксований. При підключенні до змінного струму, коли струм змінює напрямок, напрямок магнітного поля статора залишається незмінним, але струм, що надходить в котушку ротора, змінює напрямок, що призводить також до реверсування електромагнітного моменту. В результаті двигун буде лише коливатися або сильно вібрувати туди-сюди в змінному магнітному полі з частотою 50 Гц, не обертаючись в одному напрямку. Навпаки, оскільки статор і ротор універсального двигуна з'єднані послідовно, їхні полярності змінюються синхронно («два мінуси дають плюс»), що дозволяє двигуну плавно обертатися в одному напрямку.
Універсальний двигун (также відомий як двигун послідовного збудження) називається так тому, що він може працювати як від однофазного змінного струму (AC), так і від постійного струму (DC). Оскільки його робочий обертальний момент залежить лише від добутку напрямків струму статора та ротора, подача постійного або змінного струму генерує рушійний момент в одному напрямку. Він забезпечує надзвичайно високі швидкості обертання, просте регулювання швидкості шляхом зміни напруги та є дуже економічно вигідним.
Вони широко використовуються в побутових приладах та електроінструментах, які вимагають надзвичайно високих швидкостей та потужного крутного моменту протягом відносно коротких проміжків часу. Приклади включають:
• Пилососи: Високі швидкості потрібні для створення розрядження (зазвичай від 20 000 до 40 000 об/хв).
• Фени для волосся: Високошвидкісні крильчатки потрібні для подачі великого об'єму повітря.
• Ручні дрилі та кутові шліфувальні машини (болгарки): Забезпечують портативну потужність із високим крутним моментом для різання металу та дерева.
• Блендери та кухонні комбайни: Високі швидкості потрібні для подрібнення волокон їжі.
Існує два основних джерела шуму:
• Високочастотне тертя щіток: Вугільні щітки та сегменти колектора створюють інтенсивні звуки фізичного тертя та дрібні електричні іскри під час обертання з частотою в десятки тисяч обертів на хвилину.
• Свист повітряного потоку на високій швидкості: Робочі швидкості в десятки тисяч об/хв набагато вищі за швидкість стандартних асинхронних двигунів (зазвичай макс. 3 000 об/хв). Лопаті вентилятора або осердя ротора, що розсікають повітря на таких швидкостях, створюють гучне тертя об повітря та свист. Це також причина, чому сучасні фени та пилососи преміум-класу переходять на «високошвидкісні безщіткові двигуни постійного струму (BLDC)» для тихішої роботи.