Коллекторный двигатель постоянного токаОбратимся снова к двигателю постоянного тока, устройство которого показано на рис. 2-6 в статье «Устройство электродвигателя постоянного тока«. Проделаем такой опыт: присоединим к контактным винтам двигателя батарейку от карманного фонаря, а когда якорь двигателя начнет вращаться, быстро перевернем батарейку так, что теперь она будет касаться контактных винтов другими пластинками. Что же произойдет с двигателем? На первый взгляд, кажется, что он будет вращаться в обратную сторону. Но, проделав этот опыт, вы убедитесь, что двигатель продолжает вращаться в ту же сторону.

И в этом нет ничего удивительного. Ведь при перевертывании батарейки изменилась полярность ее пластинок, приключаемых к контактным винтам двигателя. Следовательно, изменилось направление тока одновременно и в якоре и в обмотке возбуждения. Применим правило левой руки. Отогнутый большой палец показывает в ту же сторону, значит, якорь двигателя не изменит направления вращения.

Статор однофазного электродвигателя

Рис. 4-1. Статор однофазного электродвигателя. 1 - катушка, 2 - полюс, 3 - заклепка

Непрерывное переключение батарейки равносильно тому, что двигатель питается переменным током. Разница только в том, что у такого переменного тока очень малая частота, так как невозможно поворачивать батарейку 100 раз в секунду. Этого и не требуется. Присоединим зажимы двигателя к трансформатору с таким же напряжением, как батарейка. Двигатель будет работать, хотя будет вращаться несколько медленнее, так как при переменном токе появилось индуктивное сопротивление обмоток.

Если через 10-15 мин прикоснуться рукой к корпусу двигателя, то заметим, что он сильно нагрелся. При работе от батарейки этого не было. Если вы внимательно прочли статью «Как работает электродвигатель«, то сразу догадаетесь, отчего нагрелся корпус двигателя. При переменном токе в нем образовались вихревые токи, и происходило перемагничивание. Следовательно, появились потери в стали, которые превратились в тепло. Для снижения этих потерь надо сделать корпус не из сплошной трубы, а из тонких листов (рис. 4-1). В статоре полюса отштампованы из листа заодно со стенкой корпуса. Поэтому форма штампованного листа получилась очень сложной и ее трудно выполнить в самодельном двигателе. В листах сделаны отверстия для заклепок 5, которые стягивают пакет статора.

Коллекторный двигатель с корпусом из штампованных листов годится как для работы на постоянном токе, так и на переменном. Поэтому его называют универсальным.

На рис. 4-1 показаны катушки 1, намотанные отдельно от статора, изолированные лентой и надетые на полюса. Для того чтобы катушка могла пройти через полюсный наконечник 2, она должна быть шире, чем показано на рисунке. Сначала надевают на полюс одну сторону катушки, а когда она вошла на свое место, натягивают другую сторону. После этого стороны катушки прижимают к боковым сторонам полюса. Для удержания катушки на полюсе крайние листы статора, не имеющие полюсных наконечников, отгибают на катушку.

Статор однофазного электродвигателя

4-2. Статор однофазного электродвигателя. 1 - пропитанная бумага, 2 - фланец, 3 - катушка

На рис. 4-2 показана другая конструкция статора с магнитной системой не замкнутой, а открытой формы подковообразного магнита. Вторая особенность заключается в том, что у этого статора только одна катушка, намотанная непосредственно на статор. Она должна быть изолирована от сердечника статора, для чего сердечник обматывают несколькими слоями пропитанной в льняном масле или парафине бумаги 1, так чтобы общая толщина изоляции была не меньше 1 мм. Поверх бумаги на сердечник статора надевают два фланца 2 с квадратными отверстиями, вырезанные из картона толщиной 1,5 мм, пропитанного в парафине. При отсутствии картона такой толщины можно склеить фланцы из нескольких слоев. Остается один неясный вопрос: как же продеть фланцы через углы сердечника, которые шире окна во фланцах? Ответ на этот вопрос дает сквозная прорезь, сделанная острым ножом. Благодаря ней можно разогнуть концы фланца в разные стороны и надеть его прямо на середину сердечника.

Хотя у статора только одна катушка 3, он двухполюсный, так как на концах подковы при прохождении через катушку тока образуются полюса — северный и южный. Преимущество такой конструкции заключается в том, что легче вырезать листы статора открытой формы при изготовлении самодельного двигателя.

Итак, коллекторный двигатель можно питать не только постоянным, но и переменным током. Следовательно, отпадают заботы об источнике постоянного тока. Однако коллекторные двигатели имеют один недостаток, который при переводе двигателя на питание переменным током еще усилится. В чем же заключается этот недостаток?

При работе двигателя между коллектором и щетками все время пробегают искорки. Они имеют высокую температуру. Ведь это маленькие электрические дуги между двумя электродами. А такие дуги при электросварке и в электрических печах легко расплавляют такие тугоплавкие металлы, как сталь. Если щетка электродвигателя представляет собой тонкую медную пластинку, то через несколько часов работы двигателя она перегорит. Одновременно обгорают и коллекторные пластины. При работе двигателя поверхность коллектора надо часто очищать от нагара стеклянной бумагой.

Вредное действие искорок заключается не только в изнашивании щеток и коллектора, но и в том, что они создают электромагнитные колебания, которые улавливаются радиоприемниками и телевизорами. Если включить такой двигатель, то в динамиках радиоприемников и телевизоров послышится треск, а на экране телевизора появятся светящиеся полосы. Электромагнитные колебания не оказывают никакого влияния только на работу динамиков и репродукторов, включенных в трансляционную сеть, так как в них нет радиоприемных устройств.

Можно ли сказать, что образование искорок зависит от качества выполнения коллектора и щеток? Оно, конечно, является одной из причин их образования, особенно в самодельных двигателях, которые выполнены, не так точно, как заводские. Однако главной причиной является другое. При вращении коллектора щетки замыкают две соседние пластины коллектора (см. «Назначение коллектора электродвигателя«), и витки обмотки, присоединенные к этим пластинам, также оказываются замкнутыми накоротко, т. е. на цепь с очень малым сопротивлением. В этот момент ток в обмотке якоря меняет направление. В следующий момент щетка сошла со стыка двух пластин, и витки обмотки разомкнулись, но в витках при изменении тока наводится ЭДС, а разрыв цепи под напряжением всегда сопровождается искрением. Погасите электрическую лампочку выключателем и в работающем радиоприемнике услышите щелчок.

Схема электрического фильтра

Рис. 4-3. Схема электрического фильтра

Таким образом, искрение на коллекторе неизбежно. Но если заставлять двигатель попеременно работать от батарейки и от трансформатора, то при питании двигателя от трансформатора искрение усиливается, несмотря на то, что качество коллектора и щеток не изменилось. Когда по обмотке возбуждения протекает переменный ток, в витках обмотки якоря наводится еще одна ЭДС — трансформаторная. Она называется так потому, что наводится она аналогично ЭДС во вторичной обмотке трансформатора — по закону взаимоиндукции. Следовательно, теперь в витках обмотки наводятся две ЭДС, которые вызывают усиление искрения на коллекторе.

При увеличении напряжения искрение будет усиливаться. Поэтому самодельные коллекторные электродвигатели постоянного и переменного тока следует выполнять на напряжение не выше 12 В.

Электромагнитные колебания можно снизить, если дать другой  путь  электрическим   разрядам. Для этого щетки соединяют с землей через конденсаторы (рис. 4-3). Такое устройство называется фильтром. Устройство их на маленьком двигателе неудобно, особенно на движущихся моделях (электровозы, троллейбусы и т. п.).

Далее будет рассказано о двигателях лишенных этого недостатка, так как у   них   нет  коллектора и щеток, что облегчает их изготовление. Поэтому в области двигателей малой мощности будущее принадлежит бесколлекторным двигателям переменного тока.