W poprzednich częściach cyklu omówiliśmy krótko historię powstania napędów potrzebnych do konstruowania maszyn i urządzeń. Opisaliśmy budowę i zasadę działania podstawowego rodzaju silnika elektrycznego, czyli jednostki asynchronicznej. W czwartej części zajmiemy się silnikami komutatorowymi.

Silniki komutatorowe prądu przemiennego według systematyki dzielą się na trzy podstawowe grupy: trójfazowe bocznikowe, trójfazowe szeregowe oraz jednofazowe. Te ostatnie mają największe zastosowanie jako napędy urządzeń przenośnych stosowanych w budownictwie, rzemiośle oraz w gospodarstwie domowym. Dlatego bliżej omówimy zasadę ich pracy, budowę i przykładowe zastosowania. Jednofazowy

silnik komutatorowy działa dzięki trzem podstawowym elementom. Są to: magnesy, wirnik i umieszczony na nim komutator. W prostej wersji takiego silnika stojan tworzą co najmniej dwa magnesy stałe skierowane ku sobie przeciwnymi biegunami. Wewnątrz wygenerowanego przez nie pola magnetycznego znajduje się wirnik. Jest on zbudowany z kilku zwojnic ułożonych względem siebie pod różnymi kątami. Dzięki temu może się płynnie obracać. Na wale wirnika osadzony jest komutator. Składa się on z szeregu blaszek wykonanych ze stopu miedzi rozłożonych równomiernie wzdłuż obwodu komutatora, oddzielonych izolatorem i połączonych z poszczególnymi zezwojami.

 

Komutator odpowiada za właściwą sekwencję przepływu prądu w kolejnych zwojnicach. Do dwóch przeciwległych jego blaszek dotykają szczotki węglowe umieszczone w szczotkotrzymaczach, do których podłączone jest źródło napięcia elektrycznego. W ten sposób w danej chwili dostarczany jest prąd do jednej ze zwojnic. Wytwarza ona pole magnetyczne, które przeciwdziała polu magnetycznemu magnesów stałych. Skutkiem tego jest obrót wirnika wraz z komutatorem. Szczotki dostarczają prąd do kolejnej pary pól komutatora podłączonych do następnej zwojnicy ustawionej w odpowiedniej sekwencji i silnik może płynnie pracować. Umieszczając na osi wirnika przekładnię, zakończoną wrzecionem, możemy do niego zamocować elementy wykonawcze, np. tarczę w szlifierce kątowej, uchwyt wiertarski z wiertłem w wiertarce itp. Taka prosta wersja jednofazowego silnika komutatorowego jest analogiczna co do zasady działania silnika szeregowego prądu stałego. Dla zmniejszenia strat powstających w rdzeniu stojana silniki komutatorowe szeregowe jednofazowe mają bieguny i jarzmo wykonane z blach, w których ułożone są odpowiednie zwojnice. Po dokonaniu optymalizacji można zbudować tzw. silnik uniwersalny, tj. silnik na prąd stały i przemienny.

 

Silniki takie pozwalają na sterowanie obrotami, jednak zasilanie z prostego układu bez sprzężenia zwrotnego ma tendencje do znacznych spadków obrotów wraz ze wzrostem obciążenia. Silniki komutatorowe uniwersalne znajdują szerokie zastosowanie do napędu urządzeń gospodarstwa domowego, jak np.: odkurzacze, froterki, roboty kuchenne itp. oraz do napędu mniej wymagających elektronarzędzi.

 

W przypadku nieco bardziej wymagających urządzeń do ich napędu możemy zastosować silnik komutatorowy prądu przemiennego nazywany silnikiem repulsyjnym. Istnieją dwie odmiany tych silników: o pojedynczym układzie szczotek (silnik Thomsona) i o podwójnym układzie szczotek (silnik Deriego). Silniki te mają zazwyczaj uzwojenie na magneśnicy stojana, zasilane prądem zmiennym, oraz wirnik z uzwojeniem połączonym z komutatorem, na którym leży jedna lub dwie pary szczotek. Są one odpowiednie do liczby biegunów magneśnicy, tj. przy dwubiegunowej magneśnicy mamy jedną parę szczotek. Szczotki na komutatorze są zwarte między sobą przez łączniki o małym oporze. Wobec tego prąd z sieci płynie w wirniku wraz z prądem indukowanym w nim. Jednakże prąd z sieci służy tylko do rozruchu wirnika, natomiast całą jego pracę powoduje prąd w nim indukowany. Wytwarza on bowiem stabilne pole elektromagnetyczne, które wchodzi w interakcję z polem elektromagnetycznym stojana. W silniku Deriego ustawienie maksymalnej prędkości obrotowej wirnika odbywa się przez

zmianę kąta położenia szczotek.

 

Silniki repulsyjne charakteryzują się dużym momentem rozruchowym przy niewielkim prądzie rozruchowym oraz płynną regulacją prędkości obrotowej w dużych granicach. Silniki te stosuje się tam, gdzie rozruch odbywa się pod obciążeniem i to przy znacznie obniżonym napięciu, np. do pomp sterowanych automatycznie. Silnik Deriego ma dwa układy szczotek, jeden na jarzmie ruchomym, drugi na jarzmie nieruchomym. W tym przypadku regulacja prędkości obrotowej jest bardziej płynna, a komutacja lepsza niż w silniku repulsyjnym zwykłym.

Silniki komutatorowe jednofazowe prądu przemiennego dzięki stosowaniu odpowiednio zaprogramowanej elektroniki sterującej pozwalają na unowocześnienie techniki napędów. Wśród wielu przedstawionych zalet technicznych dominuje prostota działania, zaś niski koszt wytworzenia decyduje o stosowaniu tego rodzaju silników w konstrukcjach niezbyt wysilonych. Aktualne trendy w budowie maszyn i urządzeń wymuszają na konstruktorach miniaturyzację elementów wykonawczych, w tym silników, oraz minimalizowanie awaryjności podczas działania pod zwiększonym obciążeniem. W tym aspekcie silniki komutatorowe obarczone są dwoma głównymi kosztami eksploatacyjnymi liczonymi w rachunku ciągnionym: koszt wymiany szczotek węglowych oraz zużytego komutatora (co w konsekwencji prowadzi do wymiany kompletnego wirnika). Koszty te generowane są w trzech obszarach: materiał, robocizna i przestoje. Ze względu na powyższe uwarunkowania konstruktorzy, zamiast komutatora klasycznego (mechanicznego), stosują coraz częściej komutację elektroniczną (jako wariant przejściowy). W uzasadnionych przypadkach, opracowując nowe konstrukcje maszyn i urządzeń, stosują silniki z kolejnej grupy konstrukcyjnej: silniki bezszczotkowe. Tymi silnikami zajmiemy się w następnym odcinku naszegocyklu.

TŻ