Универсальные коллекторные микродвигатели

Универсальными коллекторными микродвигателями называют микродвигатели, которые могут работать как от сети постоянного тока, так и от однофазной сети переменного тока. Конструкция универсального коллекторного микродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного микродвигателя постоянного тока, за исключением того, что всю магнитную систему (и статор, и ротор) выполняют шихтованной, а обмотку возбуждения — секционированной. Шихтованная конструкция статора и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные потери мощности. Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе микродвигателя от сетей постоянного и переменного тока.

Универсальный коллекторный микродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным, и независимым возбуждением.

 

 

 

 

 

В настоящее время универсальные коллекторные микродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением(рис2.23). Обмотку возбуждения делят на две части, включаемые с разных сторон якоря. Такое включение, называемое симметрированием обмоток, позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем.

Работа универсального коллекторного микродвигателя постоянного тока ничем не отличается от работы микродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Работа на переменном токе сопровождается рядом особенностей.

При питании двигателя от сети переменного напряжения ток якоря и поток возбуждения изменяются по синусоидальному закону:

i=I_msin(ω₁t+β), φ=Ф_msinω₁t,

где i и I_m — мгновенное и амплитудное значения тока; β—-сдвиг по фазе между потоком возбуждения и током в якоре; φ и Ф_m — мгновенное и амплитудное значения потока; ω₁— угловая частота тока.

Мгновенное значение вращающего момента т характеризуется выражением

 

, (2.38)

где k — конструктивный коэффициент.

Изменение тока i, магнитного потока φ и вращающего момента т во времени показано на рис. 2.24. Из этого рисунка видно, что большую часть периода направление вращающего момента т не изменяется, так как одновременно с магнитным потоком полюсов меняет направление и ток якоря. Однако в некоторые промежутки времени, обусловленные сдвигом фаз между током якоря и магнитным потоком возбуждения, момент отрицателен и вращение ротора замедляется,так как появляется отрицательное ускорение.

Вследствие большой частоты пульсации момента во времени и значительного момента инерции вращающихся частей непостоянство вращающего момента практически не оказывает влияния на работу двигателя .

Среднее значение вращающего момента определяем интегрированием выражения (2.38)

где I и Ф — действующие значения тока и магнитного потока; Т — период тока.

Следовательно, вращающий момент, развиваемый универсальным коллекторным микродвигателем при питании от сети переменного тока, определяется не только значением потока возбуждения и тока, как для случая питания от сети постоянного тока, но и сдвигом фаз между ними. Для получения наибольшего момента необходимо, чтобы магнитный поток возбуждения и ток якоря совпадали по фазе, т. е. β = 0 и тогда cos β =1.

Поэтому для создания достаточного вращающего момента в двигателе параллельного и независимого возбуждения необходимо применять специальные фазосдвигающие цепочки для выполнения условия β ≈ 0.

Характеристики универсального коллекторного микродвигателя при питании от сети переменного тока несколько хуже, чем при питании от сети постоянного тока. Причина расхождения характеристик состоит в том, что при переменном напряжении на ток и его фазу существенное влияние оказывают индуктивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения. Это влияние выражается, в частности, в том, что при работе от сети переменного тока механическая характеристика несколько мягче, "особенно при больших нагрузках (сплошные линии на рис. 2.25).

Как указывалось, с целью сближения характеристик обмотку возбуждения выполняют секционированной (рис. 2.23). При работе от сети переменного тока включается меньше витков обмотки возбуждения (выводы 1—2), чем при питании от сети постоянного тока (выводы 3—4). Уменьшение числа витков обмотки возбуждения вызывает уменьшение магнитного потока и повышение угловой скорости ротора. Механическая характеристика приподнимается, не меняя своей жесткости (пунктирная линия на рис. 2.25). Соотношение чисел витков, включенных при питании от различных сетей, должно быть таким, чтобы получилось наибольшее сближение характеристик при номинальной нагрузке М_ном .

При одной и той же мощности на валу ток универсального коллекторного микродвигателя с уменьшенным числом витков обмотки возбуждения при работе от сети переменного тока больше, чем при питании от сети постоянного тока, на значение реактивной составляющей тока. Потери мощности также больше, потому что добавляются потери в стали и увеличиваются потери в обмотках от роста потребляемого тока.

При работе универсального коллекторного микродвигателя от сети переменного тока существенно ухудшается коммутация и усиливается искрение под щетками. Это объясняется тем, что коммутирующая катушка в данном случае пронизывается пульсирующим магнитным потоком возбуждения и в ней наводится трансформаторная э.д.с.

E_тр=4,44f₁ω_kФ_m, (2.39)

где ω_к — число витков в коммутирующей катушке;

f₁ — частота тока, Гц.

Наличие в коммутирующей катушке нескомпенсированной трансформаторной э. д. с. приводит к неудовлетворительной коммутации и, как следствие, к значительным радиопомехам. С целью устранения радиопомех универсальные коллекторные двигатели выпускают со встроенными в них фильтрами, но полностью устранить радиопомехи не удается. Это ограничивает применение универсальных коллекторных двигателей в системах автоматики и вычислительных устройствах.

Однако универсальные коллекторные микродвигатели довольно широко распространены благодаря тому, что они: 1) работают от источников как постоянного, так и переменного тока; 2) при работе от любого из источников позволяют просто, плавно и широко регулировать угловую скорость ротора изменением подводимого к двигателю напряжения и шунтированием якоря или обмотки возбуждения активным сопротивлением; 3) позволяют получать на промышленной частоте весьма высокую угловую скорость ротора (до 2000 рад/с), недостижимую при применении синхронных и асинхронных двигателей промышленной частоты без повышающего редуктора.

В автоматических системах, вычислительных устройствах и приборах универсальные коллекторные микродвигатели применяют в качестве вспомогательных. Они также широко применяются в бытовой технике в качестве двигателей фенов для сушки волос, пылесосах и т.п.