Понимание коллекторных двигателей переменного тока: конструкция, типы и применения

После прибытия в Америку Чарльз Протеус Стайнмец взялся за недоумкующие вызовы проектирования щеточных коллекторных двигателей переменного тока, которые ранее не могли быть надежно спроектированы до строительства.

Его прорыв пришел через формализацию магнитного гистерезиса, раскрывая, как магнитный поток отстает от магнетизирующей силы и создает потери, отсутствующие в машинах постоянного тока.

Используя низкогистерезисные сплавы и нарезку железного сердечника на тонкие изолированные ламинации, инженеры теперь могли точно предсказывать поведение коллекторных двигателей переменного тока до их изготовления.

Как и их аналоги постоянного тока, коллекторные двигатели переменного тока выдают более высокий пусковой крутящий момент и более высокую скорость, чем индукционные двигатели переменного тока. Последовательный тип, в частности, может работать значительно выше синхронной скорости обычного двигателя переменного тока.

Коллекторные двигатели переменного тока бывают однофазные и многофазные. Однофазные двигатели испытывают пульсацию крутящего момента с удвоенной линейной частотой, отсутствующую в более гладком многофазном дизайне.

Хотя коллекторный двигатель может работать на гораздо более высокой скорости, чем индукционный, и таким образом выдавать больше мощности для данного размера, он не свободен от обслуживания. Износ щеток и коллектора требует периодического сервиса.

Однофазный последовательный двигатель

Когда коллекторный двигатель постоянного тока с ламинированным полем запитан от переменного тока, запаздывающая реактивность катушки поля заметно снижает ток поля. Двигатель будет работать, но его характеристики предельные.

При пуске якорные обмотки, закоротченные щетками, напоминают закоротченные трансформаторные витки в поле, производя значительную дугу и искрение, когда якорь начинает вращаться.

По мере роста скорости дуга и искрение распределяются по большему числу коллекторных пластин, делая состояние более допустимым. Малые некомпенсированные последовательные двигатели переменного тока — те, что меньше ручной дрели или кухонного миксера — все еще могут работать под этими ограничениями.

 

Некомпенсированный последовательный двигатель переменного тока

 

Компенсированный последовательный двигатель

Проблема дуги решается добавлением компенсирующей обмотки на статоре. Эта обмотка ставится последовательно с якорем и позиционирована так, что ее магнитомоторная сила компенсирует переменный ток магнитомоторную силу якоря.

Уменьшение воздушного зазора и числа витков поля снижает запаздывающую реактивность в последовательности с якорем, улучшая косинус фи. Все, кроме самых малых коллекторных двигателей переменного тока, используют компенсирующие обмотки; даже кухонно-миксерные размеры это делают.

 

Компенсированный последовательный двигатель переменного тока

 

Универсальный двигатель

Малые универсальные двигатели — обычно под 300 ватт — могут работать либо от постоянного, либо от переменного тока. Очень малые блоки могут быть некомпенсированными; крупные, высокоскоростные почти всегда используют компенсирующую обмотку.

На переменном токе двигатель работает слегка медленнее, чем на постоянном, из-за реактивности. Однако пики синусоид насыщают магнитный путь, снижая общий поток и увеличивая скорость «последовательного» участка. Эти противоположные эффекты держат скорость почти постоянной между постоянным током и 60 Гц.

Универсальные двигатели приводят обычные приборы, требующие 3000–10000 об/мин, такие как дрели, пылесосы и миксеры.

Прогресс в твердотельных выпрямителях и дешевых постоянных магнитах делает коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами все более привлекательной альтернативой.

Отталкивающий двигатель

Отталкивающий двигатель подключает поле напрямую к линейному напряжению переменного тока и ставит пару закоротченных щеток со смещением 15°–25° от оси поля. Поле индуцирует ток в закоротченном якорь, производя магнитное поле, противопоставляющееся полевым катушкам.

Скорость регулируется вращением щеток относительно оси поля. Двигатель демонстрирует отличную коммутацию ниже синхронной скорости и плохую — выше нее. Низкий пусковой ток выдает высокий пусковой крутящий момент.

 

Отталкивающий двигатель переменного тока

 

Отталкивающий пусковой индукционный двигатель

Когда индукционный двигатель должен пустить тяжелую нагрузку, например компрессор, высокий пусковой крутящий момент отталкивающего двигателя бесценен. Индукционные роторные обмотки временно соединяются с коллекторными сегментами через закоротченные щетки.

Как только двигатель приближается к рабочей скорости, центробежный выключатель замыкает все коллекторные сегменты, превращая ротор в белковую конфигурацию. Щетки также могут подниматься для продления их жизни.

Пусковой крутящий момент может достигать 300%–600% полноскоростного значения — по сравнению с менее 200% для чистого индукционного двигателя.

 

Резюме: Коллекторные двигатели переменного тока

• Однофазный последовательный двигатель — попытка эмулировать коллекторный двигатель постоянного тока; практичен только в очень малых размерах.
• Добавление компенсирующей обмотки дает компенсированный последовательный двигатель, преодолевающий излишнее искрение коллектора. Большинство коллекторных двигателей переменного тока этого типа. Они дают больше мощности на высокой скорости, чем индукционный того же размера, но не свободны от обслуживания.
• Мелкие приборы могут использовать двигатели, работающие либо от переменного, либо от постоянного тока, известные как универсальные двигатели.
• Линия переменного тока напрямую подключена к статору отталкивающего двигателя, с коллектором, закоротченным щетками.
• Снимаемые закоротченные щетки могут запустить двигатель с обмотанным ротором; это отталкивающий пусковой индукционный двигатель.