Универсальный электродвигатель: устройство, применение и особенности

Введение

Тип электродвигателя

Универсальный двигатель – это тип электродвигателя, который может работать как от переменного, так и от постоянного тока и использует электромагнит в качестве статора для создания магнитного поля. Это коммутируемый последовательный двигатель, в котором полевые катушки статора соединены последовательно с обмотками ротора через коммутатор. Его часто называют последовательным двигателем переменного тока. Универсальный двигатель очень похож по конструкции на последовательный двигатель постоянного тока, но немного модифицирован для обеспечения надлежащей работы от переменного тока. Этот тип электродвигателя хорошо работает от переменного тока, поскольку ток как в полевых катушках, так и в обмотке якоря (и, следовательно, результирующие магнитные поля) будет изменяться (обращать полярность) синхронно с напряжением питания. Таким образом, результирующая механическая сила будет направлена в одном направлении вращения, независимо от направления приложенного напряжения, но определяется коммутатором и полярностью полевых катушек. Универсальные двигатели обладают высоким пусковым моментом, способны работать на высоких скоростях, легки и компактны. Они широко используются в переносных электроинструментах и оборудовании, а также во многих бытовых приборах. Управлять ими также относительно просто – электромеханически, с помощью отводов на катушках, или электронным способом. Однако, поскольку коммутатор оснащен щетками, которые изнашиваются, они реже используются в оборудовании, работающем непрерывно. Кроме того, отчасти из-за коммутатора, универсальные двигатели обычно очень шумные как акустически, так и электромагнитно.

Работа

Не все последовательно возбужденные двигатели хорошо работают от переменного тока. Если обычный последовательно возбужденный двигатель постоянного тока подключить к источнику переменного тока, он будет работать крайне неэффективно. Универсальный двигатель модифицирован несколькими способами для обеспечения нормальной работы от сети переменного тока. Обычно добавляется компенсационная обмотка, а также ламинированные полюсные наконечники, в отличие от цельных полюсных наконечников, используемых в двигателях постоянного тока. С увеличением скорости индуктивность ротора приводит к изменению оптимальной точки коммутации. В малогабаритных двигателях обычно применяется фиксированная коммутация. Хотя некоторые более крупные универсальные двигатели имеют поворотную коммутацию, это встречается редко. Вместо этого в больших универсальных двигателях часто используются компенсационные обмотки, включенные последовательно с двигателем или иногда индуктивно связанные с ним, и расположенные под углом девяносто электрических градусов к оси главного поля. Они снижают реактивное сопротивление обмотки якоря и улучшают коммутацию. В отличие от этого, синхронные двигатели переменного тока и двигатели с короткозамкнутым ротором не могут вращать вал быстрее, чем позволяет частота сети. В странах с переменным током 60 Гц эта скорость ограничена 3600 об/мин. Повреждение двигателя может произойти из-за превышения скорости (работы на скорости вращения, превышающей расчетные пределы), если агрегат эксплуатируется без значительной механической нагрузки. На более крупных двигателях следует избегать резкой потери нагрузки, и возможность такого события учитывается в схемах защиты и управления двигателем. В некоторых малогабаритных применениях лопасть вентилятора, прикрепленная к валу, часто служит искусственной нагрузкой для ограничения скорости двигателя до безопасного уровня, а также для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха вокруг обмотки якоря и полевых обмоток. Если бы не было механических ограничений в универсальном двигателе, он теоретически мог бы выйти из-под контроля так же, как любой последовательно возбужденный двигатель постоянного тока, но это было бы непрактично из-за проблем с коммутацией. Были предприняты различные схемы встроенного сопротивления, индуктивности и антифазного перекрестного соединения для решения этой проблемы. Универсальные двигатели, включая двигатели с шунтовой обмоткой, были предпочтительны в качестве двигателей переменного тока в то время, поскольку они были самозапускающимися.

Not all series wound motors operate well on AC current. If an ordinary series wound DC motor were connected to an AC supply, it would run very poorly. The universal motor is modified in several ways to allow for proper AC supply operation. There is a compensating winding typically added, along with laminated pole pieces, as opposed to the solid pole pieces found in DC motors. As the speed increases, the inductance of the rotor means that the ideal commutating point changes. Small motors typically have fixed commutation. While some larger universal motors have rotatable commutation, this is rare. Instead larger universal motors often have compensation windings in series with the motor, or sometimes inductively coupled, and placed at ninety electrical degrees to the main field axis. These reduce the reactance of the armature, and improve the commutation. By way of contrast, AC synchronous and squirrel cage induction motors cannot turn a shaft faster than allowed by the power line frequency. In countries with 60Hz AC supply, this speed is limited to 3600RPM. Motor damage may occur from over speeding (running at a rotational speed in excess of design limits) if the unit is operated with no significant mechanical load. On larger motors, sudden loss of load is to be avoided, and the possibility of such an occurrence is incorporated into the motor's protection and control schemes. In some smaller applications, a fan blade attached to the shaft often acts as an artificial load to limit the motor speed to a safe level, as well as a means to circulate cooling airflow over the armature and field windings. If there were no mechanical limits placed on a universal motor it could theoretically speed out of control in the same way any series wound DC motor can. but was impractical owing to problems with commutation. Various schemes of embedded resistance, inductance, and antiphase cross coupling were attempted to reduce this. Universal motors, including shunt wound, were favoured as AC motors at this time as they were self starting.

Бытовая техника

Работая на нормальных частотах линий электропередач, универсальные двигатели редко встречаются мощностью менее 1000 Вт. Их высокая скорость делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где важны высокая скорость и малый вес. Они также широко используются в портативных электроинструментах, таких как дрели, шлифовальные машины, циркулярные пилы и лобзики, где характеристики двигателя оказываются оптимальными. Дополнительным преимуществом для электроинструментов, используемых сварщиками, является то, что классические сварочные агрегаты с двигателем внутреннего сгорания могут быть генераторами постоянного тока, и их розетки вспомогательного питания также будут выдавать постоянный ток, даже при типичной бытовой конфигурации NEMA 5-15. Постоянный ток подходит для обычного освещения на строительной площадке (устаревшего типа) и универсальных двигателей в некоторых дрелях и шлифовальных машинах. Многие двигатели пылесосов и триммеров для травы превышают 10 000 оборотов в минуту, а многие миниатюрные шлифовальные машинки типа Dremel и аналогичные – 30 000 об/мин. Универсальные двигатели также хорошо поддаются электронному регулированию скорости и поэтому были идеальным выбором для бытовых стиральных машин. Двигатель может приводить в движение барабан (в обоих направлениях) путем переключения обмотки возбуждения относительно якоря. Он также может развивать высокие скорости, необходимые для отжима. В настоящее время чаще используются двигатели с регулируемой частотой.

Железнодорожная тяга

Универсальные двигатели также стали основой для традиционных тяговых двигателей в электрических железных дорогах. В этом применении использование переменного тока для питания двигателя, изначально разработанного для работы от постоянного тока, приводило к потерям эффективности из-за нагрева, вызванного вихревыми токами в магнитных компонентах, особенно в полюсных наконечниках статора, которые для двигателей постоянного тока изготавливались из цельного (неламинированного) железа. Хотя эффект нагрева снижается за счет использования ламинированных полюсных наконечников, как это делается в сердечниках трансформаторов, и применения ламинаций из электротехнической стали с высокой проницаемостью, одним из решений, доступных в начале XX века, было питание двигателей от источников переменного тока очень низкой частоты, при этом частоты 25 Гц и 16 2/3 Гц были распространены.

Стартерный двигатель

Стартеры двигателей внутреннего сгорания обычно представляют собой универсальные двигатели, отличающиеся компактными размерами и высоким крутящим моментом на низких оборотах. В некоторых стартерах используются постоянные магниты, в других – один из четырех полюсов, обмотанный шунтовой катушкой вместо последовательной.