Как работает электромотор в бытовых приборах?

Как вы уже догадались, все бытовые приборы можно разделить на две группы: использующие тепловые свойства электричества и преобразующие электрическую энергию в механическую.

Электрические моторы имеются в большинстве бытовых приборов, и часто в случае неисправности двигателя бытовой прибор или выбрасывают как негодный, или несут в ремонт, даже не выяснив причину неисправности. Проблема в том, что не многие разбираются в электрических двигателях, а потому не могут самостоятельно не только ремонтировать, но и установить причину неполадки.

А ведь на самом деле, если знать устройство электрических двигателей, то можно разобраться и в устройстве всех бытовых приборов, так как во всех случаях мотор является основным агрегатом, вырабатывающим механическую энергию, а все остальные детали и узлы бытового устройства предназначены лишь для того, чтобы эту механическую энергию можно было применять в быту.

По историческим меркам электрические двигатели появились сравнительно недавно – всего сто лет назад, но они успели настолько прочно войти в быт, что без их участия уже невозможно обойтись. Первые двигатели существовали в виде математических моделей, а также экспериментальных устройств, на примере магнита и проводника показывающих возможность превращения электрической энергии в механическую.

Со временем знания об электричестве совершенствовались, дополнялись новыми сведениями, создавались все новые и новые модели электрических двигателей, в результате чего и появились индукционные двигатели, работающие на постоянном и переменном токе, которые и применяются в настоящее время в быту и в производстве.

В основе действия этого устройства лежит закон самоиндукции, открытый ученым М. Фарадеем, одним из основателей электродинамики. Согласно этому закону вокруг всякого проводника, по которому проходит электрический ток, создается магнитное поле.

Электрический двигатель представляет собой статор и ротор с замкнутыми обмотками, по которым протекает электрический ток. В результате между статором и ротором создается вихревой магнитный поток, который приводит ротор в движение. Все остальное, как говорится, дело техники. С помощью осевой, ременной, червячной или другой передачи механическое движение передается рабочим узлам, которые и осуществляют работу бытового прибора.

Чтобы магнитный поток создавал механическое движение, необходимо определенное расположение обмоток статора и ротора. В замкнутых обмотках протекают токи, сдвинутые во времени. Обмотки должны располагаться так, чтобы получить круговое поле, что возможно при расположении двух пар обмоток под прямым углом (двухфазный двигатель) или трех обмоток под углом 120° (трехфазный двигатель). Это простейшие модели двигателей, наиболее часто применяемые. Не исключено применение в быту и многофазных двигателей.

В быту применяются двигатели, работающие и на постоянном и на переменном токе. Как правило, двигатели, работающие на постоянном токе, применяются в бытовых приборах индивидуального пользования, а также в домашней электронике, так как обладают меньшей мощностью по сравнению с двигателями, работающими на переменном токе.

Чтобы бытовые приборы, имеющие такие двигатели, можно было подключать к сети с напряжением 220V, в цепи имеется индукционная катушка, которая обладает свойством не пропускать токи определенных частот. Индукционную катушку также принято называть дросселем, или выпрямителем напряжения, так как именно она и преобразует переменный ток в постоянный.

Многие приборы работают одновременно и на постоянном и на переменном токе. Это можно объяснить тем, что бытовой прибор рассчитан на подключение к различным источникам питания: к сети, к аккумуляторам, к выпрямителю переменного тока, чтобы прибором было удобно пользоваться.

В таком случае прибор имеет индукционную катушку, выпрямляющую переменный ток. При включении прибора выпрямитель преобразует его в постоянный, от него и работает электрический двигатель. Если прибор следует подключить к источнику постоянного тока, достаточно установить переключатель в соответствующее положение и прибор работает уже без индукционной катушки, что позволяет пользоваться сменными элементами питания (батарейками), аккумуляторами, универсальными блоками питания.

Двигатели, работающие на переменном токе, применяются в таких бытовых приборах, как стиральные машины, пылесосы, вентиляторы и др., для работы которых нужны двигатели большей мощности.

Двигатели переменного тока принято делить на синхронные, асинхронные и коллекторные. Двигатель может быть выполнен с внутренним или внешним ротором.

Двигатель с внутренним ротором представляет собой статор с обмотками, заключенный в корпус, внутри статора располагается ротор, также имеющий обмотки. Как уже упоминалось, вращение ротора осуществляется за счет вихревого магнитного потока, образующегося в пространстве между статором и ротором.

В синхронных двигателях скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного вихревого потока. В асинхронных двигателях эта скорость не совпадает: ротор может вращаться быстрее или медленнее, может вращаться в противоположную сторону. Если к обмоткам статора и ротора подсоединен механический преобразователь частоты и числа фаз, двигатель является коллекторным.

Двигатель может иметь и внешний ротор. В таком случае статор с обмотками располагается внутри ротора, вращающегося все по тому же закону самоиндуктивности. К обмоткам ротора электричество подводится с помощью скользящих контактов, которые принято называть щетками.

Двигатель с внешним ротором имеет высокий показатель инертности, а потому его применяют там, где требуется инертность. В быту такой двигатель можно увидеть, например, на дрели, причем щетки, как правило, видно через вентиляционные отверстия на корпусе.

Иногда бывает так, что из-за вибрации или по другим причинам скользящие контакты прилегают к обмоткам не плотно, это приводит к тому, что при замыкании цепи двигатель не работает, возникает такое ощущение, что цепь разомкнута. На самом деле достаточно плотнее прижать щетки, и двигатель заработает снова. Бывает даже так, что двигатель работает в горизонтальном положении, но стоит его поставить вертикально – он отключается. В таком случае причина неполадки не может быть в чем-то другом, только как в скользящих контактах.

Когда мотор умирает окончательно?

Многие бытовые приборы имеют механическую защиту электродвигателя от перегрузки. Зачем она нужна?

Обмотки электродвигателей выполняются в специальной изоляции, которая позволяет протекать электрическому току со сдвигами во времени, за счет чего и вырабатывается вихревое магнитное поле, дающее движение ротору. Также известно, что преобразование энергии в электрических двигателях сопровождается выделением теплоты.

При неправильном режиме работы электрического двигателя обмотки нагреваются, что приводит к износу изоляции, в результате чего происходит контакт между витками обмотки, и магнитное поле перестает вырабатываться из-за нарушения фаз.

Поэтому любой бытовой прибор, имеющий электрический двигатель, имеет и систему охлаждения, которая предотвращает износ изоляции. Способы охлаждения могут быть самыми разнообразными: воздушное, водородное, масляное, водяное и др., однако в быту чаще всего применяется воздушное охлаждение.

Например, в кондиционерах охлаждение двигателя производится за счет атмосферного воздуха. Кондиционер имеет два отсека – внутренний и внешний, двигатель расположен во внешнем отсеке.

В охладительных установках охлаждение производится холодильным агентом, который, возвращаясь в компрессор, проходит рядом с мотором, тем самым охлаждая его.

Примерно таким же способом происходит охлаждение двигателя в полотере, имеющем пылесос. Всасываемый воздух проходит через рабочие узлы прибора, тем самым охлаждая их.

Во всех остальных случаях охлаждение происходит за счет прохождения воздуха через вентиляционные отверстия в корпусе. В соответствии с этим мотор располагается так, чтобы во время работы прибора обеспечивалась бы постоянная вентиляция этого устройства.

Во многих случаях такого технического решения достаточно, так как двигатель не сильно нагревается в процессе эксплуатации, однако бывают такие ситуации, когда приходится применять механическую защиту двигателя от перегрева.

Дело в том, что для работы некоторых бытовых устройств необходимы двигатели большой мощности, возможно возникновение ситуации, когда нагрузка на мотор превышает рассчетную. В качестве примера можно привести пылесос, в котором время от времени заполняется фильтр. При включении пылесоса с заполненным пылесборником создается препятствие вихревому потоку, который вырабатывается лопастным винтом, приводимым в движение электрическим мотором, это увеличивает нагрузку на двигатель, и он начинает «буксовать».

Это вредно для двигателя, так как при наличии препятствий вращению ротора в обмотках возникает повышенное напряжение, и электричество, проходя через проводник, которым и являются обмотки, нагревает их. Если при этом температура превышает установленный для изоляции предел, то обмотка «сгорит», а мотор придет в негодность.

В таком случае уже нельзя будет починить даже простейший двухфазный двигатель, тем более многофазный мотор коллекторного типа, который все чаще и чаще применяется в быту. Замкнутая обмотка представляет собой намотанный на корпус медный провод, длина которого может достигать тысячи метров и более. Само собой разумеется, что намотать заново обмотку, причем точно рассчитав количество провода, вручную невозможно. Легче купить новый мотор, а старый выбросить. Если вам когда-нибудь придется услышать, что кто-то из ваших знакомых самостоятельно намотал обмотку трансформатора, можете быть уверены, что он сделал это не ради того, чтобы сэкономить деньги, а для того, чтобы увековечить свое увлечение радиотехникой.

Для предотвращения «перегорания обмотки», во многих устройствах устанавливается механическая защита, которая позволяет отключать двигатель до того, как температура нагрева обмоток станет критической для их изоляции.

Варианты механической защиты могут быть самыми разными. Одним из самых простых способов является нефиксированное закрепление рабочих деталей устройства. Этот способ раньше применялся в лентопротяжных механизмах. Когда лента заканчивается, мотор продолжает крутиться и прокручивает головку на гладком стержне; мотор может работать вхолостую достаточно долго, пока его не выключат.

Однако такой способ неудобен, к тому же его нельзя применить в других устройствах, кроме лентопротяжного механизма. Поэтому используется механическая защита, которая размыкает сеть при возникновении какого-либо препятствия работе двигателя.

Конечно, могут быть и другие способы автоматического отключения, например биметаллический термовыключатель, или электронная схема автоматического отключения, но в бытовых приборах такие средства применяются редко, так как практически в любом случае их можно заменить механическими устройствами, которые дешевле и более надежны в работе.