Что движет техникой?
В процессе своей работы менеджеры салонов «Технолюкс» постоянно что-то рассказывают, показывают и объясняют. Каждый наш клиент, выходя из магазина, обладает большим багажом знаний по сравнению с тем, когда он в него заходил. Задача наших консультантов — не банально нагрузить покупателя новой информацией, подобно преподавателю в институте, а структурировать ту информацию, которая у него уже есть, и очистить ее от лишней, ненужной, а, порой, и просто ошибочной чепухи, которой напичкали его некоторые «недоблогеры» на YouTube или нерадивые продавцы в известных гипермаркетах. И одной из частых проблем, с которыми приходится сталкиваться, является неверная терминология в вопросах двигателей. Практика показывает, что у подавляющего большинства покупателей в голове натуральная каша из различных умных слов, которые так любят маркетологи, но при этом зачастую эти слова даже не находятся в одном смысловом поле.
Сегодня мы решили немного раскрыть эту тему. Сразу предупреждаем, что если вы, уважаемый читатель, — электротехник или в университете сдали экзамен по электромеханике на «отлично», то много из этой статьи вам покажется неточным или ненаучным. Но наша цель — не подготовить читателя к зачету, а постараться простыми словами рассказать про различные виды двигателей, чтобы он имел представление о том, что в них бывает разного, и как это разное может быть ему полезно.
В первую очередь определим, что же такое электродвигатель? Это устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую. По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение. И в этой заметке под термином «двигатель» мы будем понимать именно его.
Теперь опишем две основные части любого двигателя. Это ротор и статор. Частей, конечно же, больше, но основными и неизменными являются лишь эти две. Та часть, которая вращается, называется ротором (от лат. rota — «колесо», roto — «вращаюсь»). А та часть, которая не вращается, то есть стоит на месте, называется статором (от лат. sto — стою). У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Двигатели, у которых ротор находится снаружи называются электродвигателями обращенного типа.
Статоры электродвигателей переменного тока (сначала поговорим о них) имеют схожий принцип устройства. В специальные пазы (осевые прорези) уложены токонесущие проводники из меди или алюминия, называемые обмоткой. Функцией статора является создание вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле необходимо для того, чтобы увлекать за своим вращением ротор. При этом ротор может быть либо постоянным магнитом, либо электромагнитом с собственной обмоткой возбуждения, либо набором проводников, не подключенных к внешней электроцепи (также из-за схожести называемой «беличьей клеткой»).
Если ротор является магнитом, либо имеет обмотку, которая превращает его в электромагнит, то он создает постоянное магнитное поле. Поскольку другое магнитное поле, создаваемое статором, вращается, магнитное поле ротора следует за ним: северный полюс поля ротора притягивается к южному полюсу поля статора. Скорость вращения ротора будет равна скорости вращения магнитного поля статора. Равна — значит, синхронна. Поэтому такие двигатели называются синхронными. Если же скорость вращения ротора отличается от скорости вращения магнитного поля статора, то она, можно сказать, с ним не синхронна, или же асинхронна. Такие двигатели, как нетрудно догадаться, называют асинхронными.
В каком случае скорость ротора не будет равна скорости вращения поля статора? В том случае, когда ротор не имеет собственного магнитного поля. Такой ротор состоит из набора токопроводящих пластин, не соединенных ни между собой, ни с внешней цепью. Вращающееся магнитное поле статора создает ЭДС (электродвижущую силу), которая при пересечении проводников ротора наводит в них электрический ток. «Наведение» по латыни звучит как «inductio», поэтому такие асинхронные двигатели еще называют индукционными. В результате этого наведения возникает крутящий момент и ротор начинает вращаться. Его скорость вращения всегда будет ниже скорости вращения магнитного поля статора, иначе силовые линии этого поля не будут пересекать проводники ротора и не будут создавать там ток, что не позволит ему вращаться.
Таким образом мы пришли к первому разделению типов двигателей по скорости вращения их ротора: синхронные и асинхронные. У каждого из этих типов, конечно же, есть преимущества. Синхронные модели имеют большую надежность и более высокий КПД, просты в обслуживании, и частота их вращения не зависит от прилагаемой нагрузки (до определенного предела). К минусам синхронных моторов можно отнести сложность запуска двигателя — низкий пусковой момент не позволяет быстро выйти на рабочие обороты и зачастую требует наличия дополнительного устройства, «раскручивающего» двигатель. А особенностью синхронных электродвигателей является постоянная частота вращения — ее весьма трудно менять. Поэтому в тех приборах, где частоту нужно регулировать (в случае с бытовой техникой это, например, стиральные машины и вытяжки) используются асинхронные двигатели. Они также имеют свои плюсы: низкое потребление энергии, простота конструкции, эксплуатация в бытовых приборах с использованием однофазного подключения. Главный же их минус заключается в больших тепловых потерях и сложности регулировки.
Для того, чтобы в статоре двигателя магнитное поле вращалось, двигатель должен быть подключен к переменному току. По счастью в нашей сети ток именно такой. Но работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора, поэтому ротору необходим источник постоянного тока, который подводится к нему через специальные контактные кольца на валу посредством специальных щеток, сделанных, как правило, из графита. Но ведь в сети переменный ток, так как же быть?
Для решения этого вопроса конструкция двигателя должна предполагать наличие генератора постоянного тока. Устройство, преобразующее переменный ток в постоянный, называется выпрямителем. Собственно, такой выпрямитель есть в каждом известном нам устройстве, потому что все они работают от постоянного тока. Да-да! Преимуществом переменного тока является то, что его возможно передавать на большие расстояния с гораздо меньшими потерями «по пути», в отличие от постоянного. Однако, что касается КДП, то постоянный ток значительно лучше. Поэтому подавляющее большинство электроприборов имеют в своей конструкции выпрямители.
Вернемся к асинхронному двигателю. Его основной особенностью является возможность плавной регулировки скорости вращения ротора. Скорость вращения ротора напрямую связана со скоростью вращения магнитного поля статора. Изменить скорость этого поля возможно посредством увеличения частоты тока и его напряжения. Устройство, которое способно выдавать выходное переменное напряжение заданной частоты называется тиристорным преобразователем частоты. Однако нам оно больше известно под словом «инвертор», что, согласитесь, звучит гораздо красивее, нежели буквосочетание «ТПЧ». Поэтому от производителей и продавцов нередко можно услышать словосочетание «инверторный двигатель», что, по сути, является красивым названием для любого асинхронного двигателя переменного тока с регулируемой частотой вращения ротора.
На рисунке изображена условная схема работы тиристора. В выпрямителе (В) входное переменное напряжение выпрямляется и поступает в фильтр (Ф), где оно сглаживается, фильтруется, после чего опять преобразуется инвертором (И) в переменное, которое может регулироваться по таким параметрам, как амплитуда и частота. Именно то, что тиристорные преобразователи частоты имеют высокий КПД (до 98%), способны успешно справляться с большими напряжениями и токами, а также выдерживать при этом импульсные воздействия и довольно продолжительную нагрузку, является их основным достоинством.
Кроме всего выше перечисленного на просторах сети или в магазинах можно услышать словосочетание «коллекторный двигатель» или «щеточный двигатель». Чаще всего такие фразы звучат в негативно-презрительной тональности. Что же это за двигатель, и чем он хуже двигателя бесколлекторного?
Коллекторный электродвигатель — это двигатель, у которого хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором. Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря. Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В свою очередь щетки — это часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания. Собственно, наличие коллекторного узла и отличает двигатель постоянного тока от двигателя переменного тока. И этот же момент является причиной меньшей надежности коллекторных двигателей — щетки могут быстро износиться. Помимо этого, они издают дополнительный шум, а КПД щеточного двигателя всегда ниже, чем КДП двигателя асинхронного. И, хотя производство коллекторного двигателя дешевле, он обладает лучшим откликом на изменение напряжения (а, значит, вполне подходит для плавной регулировки скорости вращения) и на низких оборотах имеет высокий вращающий момент, асинхронные двигатели постепенно вытесняют коллекторные с рынка бытовых приборов ввиду большей надежности, меньших затрат энергии (за счет более высокого КПД: 80-90% против 55-65% у коллекторных двигателей) и меньшего шума.
Коллекторные двигатели всегда являются двигателями постоянного тока. Но не все двигатели постоянного тока являются коллекторными. Существуют так называемые моторы BLDC, что в расшифровке значит Brushless DC electric motor — бесщеточный двигатель постоянного тока. Еще их называют вентильными двигателями. Щетки в таком моторе отсутствуют. Двигатель состоит из постоянного магнита-ротора, вращающегося в магнитном поле катушек статора, по которым проходит ток, коммутируемый ключами (вентилями), управляемыми микроконтроллером. Микроконтроллер переключает катушки таким образом, чтобы взаимодействие их поля с полем ротора создавало крутящий момент при любом его положении. Такие двигатели более дорогостоящие, но позволяют крайне точно контролировать не только скорость вращения, но и текущее положение ротора.
Резюмируя все вышесказанное, отметим, что двигатели могут различаться по источнику питания (переменного и постоянного тока), скорости вращения ротора (синхронные и асинхронные), наличию коллекторного узла (коллекторные и бесколлекторные), наличию щеток (не каждый бесколлекторный двигатель бесщеточный, но каждый бесщеточный двигатель — бесколлекторный). Разумеется, классификаций существует гораздо больше, но цель статьи была в том, чтобы описать основные термины, употребляемые в сфере бытовой техники.
Да, кстати, существует еще двигатель с прямым приводом. Многие продавцы часто путаются, называя его инверторным, или же считая инверторным двигателем только двигатель с прямым приводом. Так вот, объясняем. Тип привода никак не вытекает из типа двигателя. Привод — это то, каким способом двигатель передает вращение ротора другим частям прибора. Если вращение передается через натянутый ремень, то привод будет ременным (у подавляющего большинства производителей). А если вращающийся элемент непосредственно насажен на ось ротора, то привод называется прямым. Целью этой статьи не является расследование того, какой из приводов лучше, поэтому за сим и остановимся.
И, как всегда, мы будем рады видеть вас в наших салонах, где менеджеры смогут рассказать про нюансы в бытовой технике еще более подробно!