Биполярный электродвигатель

Биполярный игрушечный мотор 1948 года. Обратите внимание на трехполюсный ротор с биполярным полем.

Биполярное электродвигатель является электродвигателем с двумя (следовательно , би- ) полюсами к его стационарному полю. ^[1] Это пример простого щеточного двигателя постоянного тока с коммутатором . Это поле может создаваться постоянным магнитом или катушкой возбуждения .

Термин «биполярный» относится к неподвижному полю двигателя, а не к ротору. ^[1] Роторы часто имеют более двух полюсов, три для простого двигателя и потенциально больше для мощного двигателя. Недостатком двухполюсного ротора является то, что он не запускается автоматически во всех положениях, и поэтому для запуска требуется щелчок.

Ранние моторы [ править ]

Ранние и поздние биполярные двигатели и четырехполюсный двигатель

Ранний биполярный двигатель с внутренними катушками возбуждения, около 1900 г.

Первые электродвигатели постоянного тока, начиная с двигателя Грамма 1870-х годов, использовали биполярные поля. Эти ранние машины использовали грубо сконструированные полюсные наконечники с длинными магнитными цепями, широкими зазорами и узкими полюсными наконечниками, которые давали только ограниченный поток через якорь. Эти поля обычно имели форму подковы, либо с постоянными подковообразными магнитами, либо с одной или двумя катушками возбуждения на некотором расстоянии от полюсов.

Ранее изолированный провод был изолирован, если вообще был ^{[примечания 1],} с оберткой из хлопчатобумажной нити. Эти катушки могли выдержать только небольшое повышение температуры до перегрева и сгорания в результате короткого замыкания. Таким образом, катушки были длинными и неглубокими, иногда из одного слоя проволоки, для чего требовалась длинная сердцевина просто для того, чтобы удерживать их размер. Одиночные маленькие катушки могут быть установлены горизонтально, но в наиболее распространенном варианте используются две высокие катушки, расположенные рядом.

Для повышения эффективности магнитной цепи было решено, что через один и тот же якорь можно обеспечить несколько магнитных путей. Две катушки теперь были разделены и размещены по бокам двигателя, их железный сердечник представляет собой боковую схему в виде восьмерки, а якорь - в центральном межполюсном зазоре. Через этот зазор проходил поток от обеих катушек. Это дало магнитную цепь, которая была в целом короче и, следовательно, имела меньше магнитных потерь. Более компактные обмотки катушек стали возможны благодаря использованию шеллака для пропитки обмоток и повышения надежности их изоляции.

Более поздние конструкции, примерно с 1900 года, стали более компактными с более короткими и эффективными магнитными цепями. Катушки возбуждения теперь превратились в короткие приземистые внутренние катушки вокруг самих полюсов. ^[1] Остальная часть магнитной цепи представляла собой двусторонний круговой путь вокруг корпуса двигателя. Несмотря на то, что в первую очередь он был разработан для большей эффективности, он также дал гораздо более компактную компоновку с точки зрения пространства.

Эта круговая схема также представляла конец биполярного двигателя как промышленного источника питания. Можно было разместить второй набор катушек возбуждения и полюсных наконечников в корпусе того же размера, что дало четырехполюсную схему. Благодаря более эффективному обеспечению магнитного поля по всей окружности якоря это дает двигатель почти вдвое большей мощности при том же токе якоря. ^[1] Ток якоря, а также связанный с ним коммутатор и щеточный редуктор представляли собой одну из самых дорогих частей двигателя в производстве.

Электровозы [ править ]

Milwaukee Road EP-2 "Биполярный" локомотив

Одним из последних промышленных применений для больших биполярных двигателей был для Милуоки дорожных «с классом ЕР-2 электровозов 1917. ^[2] Линия решила электрифицировать свой Отдел береговой маршрут, используя напряжение 3000 В постоянного тока. Это были не первые произведенные электровозы, в которых были учтены уроки, извлеченные из предыдущей практики. Многие ранние локомотивы использовали один или два больших двигателя, установленных на раме локомотива , с приводом к колесам традиционным паровозным соединением штанг.. Там, где использовались двигатели переменного тока, для которых требовалось много полюсов и, следовательно, большого диаметра, эти смонтированные на раме двигатели казались неизбежными, даже несмотря на то, что они требовали механического привода колес, требующего интенсивного обслуживания. Альтернативная система тяговых двигателей с подвешенным на носу двигателем использовала небольшие высокоскоростные двигатели рядом с каждой осью, ведущие через понижающую коробку передач. Эта система в конечном итоге будет преобладать как в электрических, так и в дизельных локомотивах, но в то время было трудно создать надежный редуктор большой мощности.

В «биполярной» конструкции использовались смонтированные на оси двигатели, приводящие в движение каждое колесо напрямую. Ось образовывала шпиндель не только колес, но и самого якоря двигателя. Эта очевидно простая система использовалась раньше, но только для маломощных локомотивов с легкими двигателями. Как колеса и оси, и в этом случае двигатель тоже является неподрессоренным приостановкой, любой дополнительный вес здесь может привести к плохим качествам езды. Чтобы разрешить его использование для этих чрезвычайно мощных новых локомотивов, двигатель был разделен на две части. Якорь был сформирован как часть оси, но гораздо более тяжелые полюса и катушки находились на подвесной раме локомотива. Это дало приемлемую езду.

Сложность этой системы заключалась в том, что теперь якорь должен свободно перемещаться вверх и вниз относительно поля при перемещении подвески. В случае современного четырехполюсного двигателя зазор между полюсами на верхнем и нижнем полюсах будет изменяться, вероятно, до такой степени, что якорь ударяется о полюсные наконечники (ход подвески намного больше, чем типичный зазор между полюсами). Решением было вернуться к относительно устаревшему биполярному двигателю. Поместив полюса сбоку от якоря и придав им плоские вертикальные поверхности, якорь мог свободно перемещаться между ними вверх и вниз. Конструкция двигателя была относительно неэффективной даже по стандартам того времени, но эти локомотивы были рассчитаны на их мощность и грузоподъемность с обильным запасом дешевой гидроэлектроэнергии, а не на эффективность.

В начале «биполярные» проекты включали в себя Нью - Йорк Central «s новаторская S-Мотор 1904 года , а позднее T-Motor в 1913 году, однако Милуки Роуд » s класс EP-2 стал классом , наиболее связанным с биполярным двигателем, даже получив название «Биполярный» для своего класса.

Локомотивы ЭП-2 надежно и успешно проработали 35 лет. В конечном итоге они были отозваны из-за общего упадка железных дорог США в конце 1950-х годов, появления дешевой дизельной энергии и, в частности, из-за перестройки этого класса, которая была плохо проведена и оставила восстановленные локомотивы с проблемами надежности.

Современные биполярные двигатели [ править ]

Биполярный двигатель все еще широко используется сегодня в недорогих устройствах средней мощности, таких как универсальные двигатели, используемые в бытовых приборах, таких как миксеры для пищевых продуктов , пылесосы и электродрели .

Эти двигатели в целом представляют собой щеточные двигатели постоянного тока с последовательно соединенными обмотками возбуждения. Они также хорошо работают с блоками питания переменного тока и в настоящее время чаще всего встречаются с такими. Они предлагают больший крутящий момент и скорость, чем асинхронные двигатели, и поэтому имеют много применений, где их капитальные затраты и малый вес важнее их электрического КПД.

Игрушечные моторы [ править ]

Простой биполярный двигатель широко использовался в электрических игрушках с первых дней изготовления игрушек из белой жести .

Первые такие двигатели использовали простой постоянный магнит в форме подковы . Более современные двигатели для жестяных банок, начиная с 1960-х годов, оставались биполярными, но, как и в промышленных двигателях, использовали более эффективную пару С-образных магнитов в круглом стальном корпусе для жестяных банок.

Из-за их дополнительной стоимости и сложности двигатели с обмотками возбуждения редко использовались в моделях. Известным исключением из этого правила была линейка двигателей Taycol, предназначенная в первую очередь для лодок более крупных моделей . ^[3] Их расцвет пришелся на 1950-е и 1960-е годы, когда они стали устаревшими и неконкурентоспособными по цене, поскольку стали доступны более мощные материалы для постоянных магнитов, в частности феррит .

Компания Taycol начала с простых двигателей с подковообразным магнитом ^[4], но их настоящая специализация заключалась в работе с полями обмотки . ^{[5] В} большинстве из них использовалась одиночная катушка поперечного поля, установленная над ротором. В их более крупных сериях «Marine» и «Double Special» использовалась схема с двумя катушками, с двумя вертикальными катушками возбуждения, установленными по бокам. ^[3]

Аналогичным, хотя и меньшим по размеру и гораздо менее мощным двигателем, был мотор Meccano E15R. ^{[6] [7]}

Построение простого биполярного двигателя, обычно также с биполярным ротором, остается популярным проектом фундаментальной науки для детей. ^{[8] [9]}

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме биполярных электродвигателей .