Современная электроника №1/2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2021 Электронный редуктор. Как кардинально увеличить крутящий момент коллекторного двигателя переменного тока на низких оборотах Часть 1 В статье приведены принципиальные схемы, разводка плат и фотографии устройств регуляторов-стабилизаторов скорости вращения мини-дрелей на базе микросхем U2010B/U2008B. Стабилизация скорости вращения коллекторных двигателей переменного тока, применённых в этих дрелях, дала возможность в разы увеличить крутящий момент, что позволило существенно расширить сферу применения подобных дрелей и использовать их в таких режимах работы, которые ранее были недоступны (сверление отверстий, распиловка, заточка). В статье показаны примеры применения сконструированных устройств совместно с мини-дрелями. Алексей Кузьминов (compmicrosys@mail.ru ) Введение Коллекторные двигатели постоян- ного и переменного тока, как извест- но, обладают общим свойством: при увеличении напряжения, подаваемо- го на такие двигатели, увеличиваются скорость и крутящий момент. Причём на холостом ходу (без нагрузки на вал) или, другими словами, при нулевом тор- мозном моменте скорость вращения таких двигателей (особенно двигате- лей переменного тока) может достигать до десятков тысяч оборотов в минуту. В то же время при сверлении отвер- стий, например электродрелью, от дви- гателя требуется повышенный крутя- щий момент, который тем больше, чем толще сверло. При этом для более точ- ного позиционирования сверла и осо- бенно для приемлемого режима свер- ления скорость вращения должна быть достаточно низкой (несколько сотен оборотов в минуту). В связи с этим в электродрели устанавливают меха- нический редуктор, снижающий ско- рость вращения вала и одновременно увеличивающий его крутящий момент в десятки и даже сотни раз (особенно в дрелях-шуруповёртах). Если же двигатель используется в инструментах для заточки (напри- мер, свёрл) или разрезки каких-либо материалов (например, в циркулярной пиле), то на его валу установлен абра- зивный точильный или отрезной круг. Сверхвысокая скорость вращения дви- гателя на холостых оборотах (напри- мер, 30 000 об/мин) может привести к разрушению таких кругов: они могут просто разлететься на куски, что трав- моопасно. Поэтому во время эксплу- атации подобных кругов указывает- ся максимальная скорость вращения. Однако если снизить скорость враще- ния двигателя до приемлемого уровня путём подачи на двигатель пониженно- го напряжения, то одновременно сни- зится и крутящий момент. А посколь- ку тормозной момент круга часто на порядок больше аналогичного момен- та сверла, т.к. их диаметры могут отли- чаться на порядок, то при низкой ско- рости вращения и, соответственно, малом крутящем моменте при доста- точном тормозном моменте такой круг может просто остановиться. В подоб- ных устройствах, так же как и в элек- тродрелях, может понадобиться уста- новка механического редуктора. Механический редуктор, устанавли- ваемый в электродрель, как известно, представляет собой устройство, состоя- щее из нескольких стальных шестерён, укреплённых на осях с подшипниками. Поскольку редуктор имеет определён- ные габариты и вес, естественно, габа- риты и вес дрелей несколько увеличены (до 2 кг и более), но при ручном сверле- нии отверстий это не представляет осо- бой проблемы. Однако если для более прецизионных свёрловочных работ используется стойка для дрели, то уста- новка подобной дрели с редуктором в такую стойку уже представляет некото- рую проблему. В основном это связа- но с относительно большими габари- тами и весом подобных дрелей, кроме того, их рукоятки существенно меша- ют работе. Здесь вне конкуренции более лёгкая (не более 1 кг) и компактная так назы- ваемая мини-дрель (её ещё называют прямой шлифовальной машиной, гра- вёром и т.п.). Такое устройство пред- ставляет собой просто коллекторный электродвигатель постоянного или переменного тока без редуктора и руко- ятки, на валу которого укреплён патрон для зажатия свёрл (или иных насадок, например, отрезных или точильных абразивных дисков). В стойке для дре- ли подобное устройство закрепляется специальным зажимом (хомутом). В то же время сверхвысокие ско- рости вращения электродвигателей подобных устройств на холостом ходу и низкий крутящий момент на малых и средних скоростях при сверлении отверстий, разрезке (циркулярная пила) или заточке (точило) не позво- ляют их использовать в таких режимах работы. Однако эту проблему можно решить более простым и эффектив- ным электронным способом. Этот способ заключается в стабили- зации скорости вращения вала элек- тродвигателя вне зависимости от тор- мозного момента, или, иначе говоря, при увеличении тормозного момента на двигатель подаётся бо ′ льшая мощ- ность, отчего увеличивается крутящий момент, а установленная скорость вра- щения вала остаётся прежней (или, по крайней мере, к ней стремится). Электронный стабилизатор скорости вращения коллекторных электродвига- телей представляет собой устройство, имеющее несложную электронную схе- му, основу работы которой составляют электрические эффекты, возникающие в электродвигателях при торможении вала. Что это за эффекты? Если, например, в электродвигателе постоянного тока попытаться затормо- зить вал, то возникнет так называемая противо-ЭДС – дополнительное напря- жение определённой формы, которое