Сколько раз вы открывали электрический инструмент, только чтобы быть озадаченным его сложным внутренним устройством? В основе этих устройств лежит двигатель - компонент, который преобразует электрическую энергию в механическое движение. Эта статья разбирает работу двигателей постоянного тока (также называемых универсальными двигателями), сравнивает их с другими типами двигателей и предоставляет основанные на данных сведения об их применении.

Двигатели постоянного тока, в частности универсальные двигатели, служат отличным введением в технологию двигателей благодаря своей относительно простой структуре. Они обычно встречаются в ручных электроинструментах, таких как дрели, фрезеры, лобзики и шлифовальные машины. Чтобы понять их работу, мы рассмотрим основные компоненты, разобрав дрель.

Традиционный ротор двигателя постоянного тока состоит из металлического железного сердечника, обмотанного медными катушками. Эти катушки соединяются с контактными точками, называемыми коллектором, на одном конце. Когда ток подается на противоположные контакты коллектора, ротор становится электромагнитом с полюсами, выровненными по положению тока.

Этот принцип можно продемонстрировать, используя тонкие провода, подключенные к коллектору, и компас для обнаружения создаваемого магнитного поля. Изменение точки приложения тока поворачивает магнитное поле соответствующим образом, раскрывая фундаментальный механизм вращения двигателя постоянного тока: переключение тока приводит к вращению магнитного поля.

Двигатели постоянного тока работают за счет электромагнитного взаимодействия. Ротор (как электромагнит) обычно поддерживает угловую разницу примерно в 90 градусов от магнитных полюсов статора. Противоположные полюса притягиваются, заставляя ротор вращаться в сторону выравнивания. Ключевым нововведением является то, что электромагнитная природа ротора позволяет непрерывное вращение, поскольку ток смещается по контактам коллектора.

Хотя базовые демонстрации подтверждают принципы, они неэффективны. Магнитному потоку нужна полная цепь - проницаемость железа примерно в 1000 раз больше, чем у воздуха, объясняет, почему роторы двигателей используют железные сердечники. Практические реализации используют С-образные железные детали с редкоземельными магнитами для оптимизации путей магнитного поля.

Работающие двигатели одновременно функционируют как генераторы. Ручное вращение может производить до 0,6 вольт в демонстрациях - эта противо-электродвижущая сила (ЭДС) создает противоположное напряжение, которое ограничивает максимальную скорость при заданных напряжениях. Практические универсальные двигатели обычно работают со скоростью 100-200 оборотов в секунду.

В реальных двигателях статоры плотно следуют кривизне ротора, поддерживая воздушные зазоры менее 1 миллиметра. Эта конструкция минимизирует магнитное сопротивление, значительно повышая эффективность.

Ток достигает коллектора через угольные щетки - проводящие, но прочные компоненты, прижимаемые к коллектору пружинами. Хотя они со временем изнашиваются (ограничивая срок службы двигателя), они идеально подходят для таких применений, как электроинструменты, где случайный выход из строя приемлем.

Помимо двигателей постоянного тока, несколько других типов двигателей служат различным целям в разных отраслях.

Широко распространены в холодильниках, печах, насосах и вентиляторах, асинхронные двигатели предлагают простую конструкцию и надежную работу для работы без присмотра в течение длительного времени.

Все чаще используются в беспроводных инструментах, они заменяют щетки электронной коммутацией. Ротор содержит постоянные магниты, а статор содержит управляемые обмотки. Их исключительная эффективность и долговечность делают их подходящими для передовых беспроводных инструментов и электромобилей.

Идеально подходят для сканеров, старых принтеров и станков с ЧПУ, шаговые двигатели обеспечивают управляемое компьютером позиционирование без датчиков обратной связи. Хотя они ограничены по скорости и мощности, их доступность и простота управления сохраняют актуальность в прецизионных приложениях.

Выбор правильного двигателя требует балансировки нескольких технических и экономических факторов посредством количественного анализа.

• Эффективность: Бесколлекторные двигатели постоянного тока обычно лидируют в преобразовании энергии
• Скорость: Универсальные и бесколлекторные двигатели постоянного тока превосходны в приложениях с высокими оборотами
• Крутящий момент: Асинхронные двигатели обеспечивают высокий пусковой крутящий момент для тяжелых нагрузок

• Первоначальная стоимость: Универсальные двигатели наиболее доступны; бесколлекторные и шаговые двигатели требуют надбавок
• Обслуживание: Бесколлекторные конструкции снижают долгосрочные затраты за счет устранения износа щеток

Среднее время наработки на отказ (MTBF) благоприятствует асинхронным двигателям из-за их механической простоты.

• Ручные инструменты: Универсальные двигатели (стоимость) против бесколлекторных (производительность)
• Приборы: Асинхронные двигатели доминируют в плане долговечности
• Промышленное оборудование: Асинхронные двигатели для мощности; шаговые для точности

Понимание типов двигателей и их характеристик позволяет инженерам и проектировщикам принимать обоснованные решения, уравновешивая требования к производительности, ограничения по стоимости и потребности в надежности. Количественный анализ предоставляет объективные критерии для выбора оптимальной технологии двигателя для каждого конкретного применения.