Биполярный электродвигатель — это электродвигатель, у которого только два (следовательно, би- ) полюса в его стационарном поле. [1] Они являются примером простого щеточного двигателя постоянного тока с коммутатором . Это поле может быть создано либо постоянным магнитом , либо катушкой возбуждения .
Термин «биполярный» относится к стационарному полю двигателя, а не к ротору. [1] Роторы часто имеют более двух полюсов, три для простого двигателя и потенциально больше для двигателя высокой мощности. Двухполюсный ротор имеет тот недостаток, что он не запускается сам по себе во всех положениях и поэтому требует резкого толчка для запуска.
.jpg/1280px-Bipolar_motors_(Electrical_Machinery,_1917).jpg)
Первые электродвигатели постоянного тока, начиная с двигателя Грамма 1870-х годов и далее, использовали биполярные поля. Эти ранние машины использовали грубо спроектированные полюсные наконечники поля с длинными магнитными цепями, широкими зазорами полюсов и узкими полюсными наконечниками, которые давали лишь ограниченный поток через якорь. Эти поля обычно имели подковообразную форму, либо с постоянными подковообразными магнитами , либо с одной или двумя катушками поля на некотором расстоянии от полюсов.
Ранние изолированные провода были изолированы, если вообще были, [примечания 1] обмотками из хлопчатобумажной нити. Эти катушки могли выдерживать только небольшое повышение температуры, прежде чем перегревались и сгорали при коротком замыкании. Таким образом, катушки были длинными и неглубокими, иногда из одного слоя провода, что требовало длинного сердечника просто для того, чтобы удерживать их размер. Отдельные маленькие катушки могли быть установлены горизонтально, но наиболее распространенная компоновка использовала две высокие катушки рядом.
Для повышения эффективности магнитной цепи было решено, что через один и тот же якорь можно обеспечить несколько магнитных путей. Теперь две катушки были разделены и размещены по бокам двигателя, с их железным сердечником в виде боковой восьмерки, а якорь в зазоре центрального полюса. Поток от обеих катушек проходил через этот зазор. Это дало магнитную цепь, которая была короче в целом и, следовательно, имела меньшие магнитные потери. 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, более эффективными магнитными цепями. Катушки возбуждения теперь перемещались в короткие, приземистые внутренние катушки вокруг самих полюсных наконечников. [1] Остальная часть магнитной цепи представляла собой двухсторонний круговой путь вокруг корпуса двигателя. Хотя изначально это было разработано для большей эффективности, это также давало гораздо более компактную компоновку с точки зрения пространства.
Эта круговая компоновка также представляла собой конец биполярного двигателя как промышленного источника питания. Было возможно разместить второй набор катушек возбуждения и полюсных наконечников в том же размере корпуса, что дало четырехполюсное расположение. Из-за более эффективного обеспечения потока поля по всей окружности якоря, это дало двигатель почти в два раза большей мощности при том же токе якоря. [1] Ток якоря и связанный с ним коммутатор и щеточное устройство представляли собой одну из самых дорогих частей двигателя для производства.
Одним из последних промышленных применений больших биполярных двигателей было для электровозов класса EP-2 на Milwaukee Road 1917 года. [2] Линия решила электрифицировать свой маршрут Coast Division , используя напряжение 3000 В постоянного тока. Это были не первые электровозы, произведенные и вобравшие в себя уроки, извлеченные из предыдущей практики. Многие ранние локомотивы использовали один или два больших двигателя, установленных на раме локомотива , с приводом к колесам с помощью традиционной для паровозов практики соединительных тяг . Там, где использовались двигатели переменного тока, требующие много полюсов и, следовательно, больших диаметров, эти установленные на раме двигатели казались неизбежными, даже несмотря на то, что они требовали этого требующего интенсивного обслуживания механического привода к колесам. Альтернативная система тяговых двигателей, подвешенных к носу , использовала небольшие высокоскоростные двигатели вдоль каждой оси, приводимые в движение через редуктор. Эта система в конечном итоге стала преобладать как в электрических, так и в дизельных локомотивах, но в то время было трудно произвести надежную мощную коробку передач.
«Двухполюсная» конструкция использовала двигатели, установленные на оси, которые приводили в движение каждое колесо напрямую. Ось образовывала шпиндель не только колес, но и самого якоря двигателя. Эта, очевидно, простая система использовалась и раньше, но только для маломощных локомотивов с легкими двигателями. Поскольку колеса и ось, а в данном случае и двигатель, не подрессорены подвеской , любой дополнительный вес здесь привел бы к плохим ходовым качествам. 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 возбуждения и катушки несли на подвешенной раме локомотива. Это обеспечивало приемлемую езду.
Сложность этой системы заключалась в том, что якорь теперь должен был свободно перемещаться вверх и вниз относительно поля, когда движется подвеска. С современным четырехполюсным двигателем это изменяло бы зазор между полюсами на верхнем и нижнем полюсах, вероятно, в той степени, в которой якорь касался полюсных наконечников (ход подвески был намного больше, чем типичные зазоры между полюсами). Решением было вернуться к относительно устаревшему биполярному двигателю. Разместив полюса сбоку от якоря и придав им плоские вертикальные поверхности, якорь мог свободно перемещаться вверх и вниз между ними. Конструкция двигателя была относительно неэффективной, даже по стандартам того времени, но эти локомотивы были спроектированы для своей мощности и тяговой способности с щедрым запасом дешевой гидроэлектроэнергии, а не для эффективности.
Ранние «биполярные» конструкции включали новаторский S-Motor 1904 года от New York Central и более поздний T-Motor 1913 года, однако класс EP-2 от Milwaukee Road стал классом, наиболее связанным с биполярным двигателем, и даже получил название «Биполярный» для этого класса.
Локомотивы EP-2 надежно и успешно работали в течение 35 лет. В конечном итоге они были сняты с эксплуатации из-за общего упадка железных дорог США в конце 1950-х годов, появления дешевой дизельной энергии и, в частности, из-за плохо проведенной перестройки класса, из-за чего перестроенные локомотивы имели проблемы с надежностью.
Биполярный двигатель по-прежнему широко используется в настоящее время в недорогих устройствах средней мощности, например, в универсальных двигателях, используемых в бытовой технике, например, миксерах , пылесосах и электродрелях .
Эти двигатели в целом представляют собой конструкцию щеточного двигателя постоянного тока с последовательно соединенными обмотками возбуждения. Они также хорошо работают с источниками переменного тока и в настоящее время чаще всего встречаются в таких источниках. Они обеспечивают больший крутящий момент и скорость, чем асинхронные двигатели , и поэтому имеют много применений, где их капитальные затраты и малый вес важнее, чем их электрическая эффективность.
Простой биполярный двигатель широко использовался в электрических игрушках еще со времен появления жестяных игрушек .
Первые такие двигатели использовали простой подковообразный постоянный магнит . Более современные двигатели типа «баночка», начиная с 1960-х годов, оставались биполярными, но, как и промышленные двигатели, использовали более эффективную пару С-образных магнитов внутри круглого стального корпуса банки.
Из-за своей дополнительной стоимости и сложности двигатели с катушками возбуждения редко использовались для моделей. Одним из известных исключений была линейка двигателей «Taycol», в первую очередь предназначенная для более крупных моделей лодок . [3] Их расцвет пришелся на 1950-е и 1960-е годы, но они устарели и стали неконкурентоспособными по цене, поскольку стали доступны более мощные материалы для постоянных магнитов, в частности феррит .
Taycol начинал с простых двигателей с подковообразными магнитами, [4] но их настоящей специализацией были намотанные поля. [5] Большинство из них использовали одну поперечную катушку поля, установленную над ротором. Их более крупные серии «Marine» и «Double Special» использовали двухкатушечную компоновку с двумя вертикальными катушками поля, установленными по бокам. [3]
Похожий, хотя и меньший по размеру и гораздо менее мощный двигатель, был у Meccano E15R. [6] [7]
Строительство простого биполярного двигателя, обычно также с биполярным ротором, остается популярным базовым научным проектом для детей. [8] [9]
