Электродрель из всех упомянутых бытовых устройств наверное наиболее сложное, как с точки зрения механики, так и электрики. Так-как темы мини-лекций посвящены электричеству, то о механике мы будем почти не говорить, так себе, по чуть-чуть! Думаю мало найдётся тех кто при упоминание такого понятия как дрель спросит, а это, мол чё такое? Но всё-таки надеюсь, что найдутся ещё, Маугли с Папуа Новой Гвинеи?! :-))
С точки зрения электрики, в электродрели есть два элемента заслуживающие внимания. Это двигатель и регулятор оборотов того самого двигателя. Ещё в восьмидесятые у меня была куплена электродрель Назрановского завода «Электроинструмент» имени Гапура Ахриева. А, это где? Недалеко, это вот идёте-идёте, значит, а потом прямо и налево. В Ингушетии стало быть (тогда ЧИАССР). Ну и что? А, то! То, что в ней (электродрели) регулятор отсутствовал напрочь, только ВКЛ-ВЫКЛ. Помните как в мультфильме, современном конечно, Мисшка подарил Маше пульт от телевизора с одной кнопкой ВКЛ-ВЫКЛ. Чтобы моей дрелью можно было спокойно работать приходилось регулировать обороты (мощность) автотрансформатором (ЛАТРОМ)!
Ладно! Это было давно и неправда... Так как же устроен электродвигатель. Сразу оговорюсь, что типичный для всяких вентиляторов асинхронные двигатели невозможно вот так просто регулировать. В смысле обороты (мощность), только меняя конструктивно (число обмоток). Поэтому во всех сурьёзных железяках применяют коллекторные двигатели. И стало быть в электродрели тоже. Принцип работы двигателя прост как пять копеек. На рис2 показано (если у Вас школа ещё не совсем из головы вылетела?) правило левой руки. Согласно правила, силовые линии магнитного поля пронзают ладонь (у, паразиты какие, прямо пронзают и всё тут?!). Все пальцы (от указательного до мизинца) показывают куды это ток течёт? А дальше самое интересное, оказывается, что проводник пытается улизнуть, выскочить из этого поля, и? И начинает движение по направлению указанному большим пальцем руки, конечно левой! Вот и весь принцип. Осталось его применить! Что на рис3 мы и видим. Аналогично и со вторым проводником. И тоже левой рукой показывает куда надо?! В итоге рамка поворачивается, а токосъёмные кольца достигают того момента когда контакты (щётки) от источника питания перекрывают зазор между кольцами. Это может оказаться мёртвой зоной (когда рамка не знает куда ей вертеться?). Но по легенде рамка по инерции проскочит эту зону и теперь уже по той же левой руке будет наоборот притягиваться полем. Худо-бедно это вращение может продолжиться. Вот только мощности на преодоления сопротивления подшипников и воздуха может не хватить, и тогда?.. Тогда, чтобы увеличить магнитное поле рамки её делают в виде катушки. Та же рамка, но с большим числом проводников. И всё равно это не есть хорошо. После отключения питания рамка может случайным образом оказаться в той же мёртвой зоне, встанет как вкопанная и ни с места. И, чтобы наш мотор заработал его нужно будет подтолкнуть. Что же нам-то делать?
А делать нужно вот такую конструкцию как на рис4,5. На рис4a вал детского двигателя и якорь или ротор, как хотите?.. На рис4b схема соединения обмоток нашего игрушечного двигателя. Как видите их (обмоток) целых пять. Места соединения [1-5] присоединяются к ламелям коллектора. Что это такое? Посмотрите на рис7. Там всё очень хорошо видно. Коллектор это цилиндр из диэлектрика с закрепленными на нём условно, пластинами. Это если бы мы на диэлектрический цилиндр одели отрезок медного полого цилиндра (трубки). Затем распилили его вдоль длины на равные полоски. К каждой полоске прикрепляются (припаиваются) проводники от обмоток. И если на рис4b всего лишь схема, то на рис5 показано как это выглядит в реальности. Здесь все обмотки намотаны одним махом. Голубая точка [Н] начало обмотки, красная [К], естественно конец. А узел [1] место скрутки (спайки) начала и конца обмоток. После наматывания голубой обмотки её конец является началом зелёной. Конец зелёной, началом пурпурной... и тд. В конце намотки конец коричневой обмотки соединяется с началом голубой. Вот такой процесс получается. Так, что если вы тестером начнёте измерять обмотки, то увидите везде КЗ, короткое замыкание (небольшое сопротивление)! И это лишь в детском двигателе, а уж, что во взрослом делается?! Как Вы видите на рис7 целое месиво из проводов! Способы намотки самые разные... С какой целью это делается?.. Думаю Вам уважаемые читатели не очень-то интересно?! А уж кому: уж, замуж, невтерпёж, для это есть специальные сайты и литература. ПРОЗА, — не тот вариант!
Продолжим наше знакомство с упрямым двигателем. Итак, ротор мы намотали, к коллектору подключили... И это всё? Нет не всё. Ведь на нашей модели рис3 рамка (ротор) может вращаться только в магнитном поле. Ну, да! А мы магниты понаставим вокруг и получим мотор! Но, только постоянного тока. Да такие существуют, в тех же фенах, в детских игрушках... А, нам-то, что делать с этими 220 на 380, а??? Правильно поставить вместо постоянного магнита электромагнит. Магнитное поле будет меняться с частотой 50 Гц как в электромагните так и в роторе и они как-нибудь договорятся по-свойски. И договариваются! Вот на рис6 и есть вид как бы двигателя со стороны коллектора. Где: a — щётки, посредством которых и осуществляется подача тока на ротор (обмотку); b — катушка электромагнита статора, голубое кольцо — е. Напротив другая катушка; с — коллектор, жёлтые отрезки окружности контакты (ламели); d — катушки полюсов ротора, в реальности они далеко не так красиво выглядят; f — полюс (полюса) ротора. Очень принципиальная схема на рис9, в правом, нижнем углу. Под буковкой М скрывается тот самый ротор. Две катушки L — соответственно статор. Схема в общем виде будет работать и на постоянном токе. Получается такая вот универсальная железяка, в отличие от той с постоянным магнитом. На рис7 ротор во всей красе! Видите какой ералаш с обмотками?!! Если ещё всё это залить какой-нибудь клеевой гадостью и Вы решитесь всё это ремонтировать, считайте, что зря родились?!! :-))
И вот мы с Вами наконец-то подползли к другой важной половине дрели (с электрической стороны конечно), к регулятору числа оборотов (мощности) и так называемому реверсу. Реверс ничего особого не представляет, обычный двойной переключатель (тумблер). Конечно он не стандартный, но функционально одно и тоже. Вот на рис9, голубой прямоугольник, он и есть. В реальности это отдельный узел, пришпиленный к регулятору оборотов. Задача реверса менять двигателю направление вращения вала, с «по часовой стрелке» на противоположное. Происходит это переключением щёток двигателя, отчего меняется магнитное поле ротора относительно статора. Вот такой процесс.
Более сложным для понимания это регулятор оборотов. В старых дрелях была всего лишь кнопочка ВКЛ-ВЫКЛ и всё! Сумасшедшая скорость (без нагрузки) была постоянна и стало быть как хочешь так и выкручивайся?! Как же работает регулятор? Да, Вы наверняка сталкивались в своей жизни (практике) с такими регуляторами: в светильниках, в нагревательных приборах (в частности паяльниках). Но не все и не всегда регуляторы построены по одной схеме.
Если не все, то многие слышали о так называемых диодах (полупроводниковых)? И даже знаете, что они (диоды) пропускают ток только в одном направлении, и это верно как и то, что они это делают всегда! Есть ещё один вид диодов с той лишь разницей, что они в обычном состоянии ничего и никуда не пропускают. Такие «ненормальные» диоды обозвали тиристорами. У них не два электрода, а три. Третий управляющий электрод. Если на него подать напряжение, то при определённой её величине тиристор откроется и будет вести себя как диод. Но если ток пропускаемый им упадёт до нуля или минимального (порогового) значения, этот мерзавец опять закроется и ВСЁ! Свадьбе не бывать!
Нас же с Вами будет интересовать ещё один «ненормальный» и зовётся он симистор. Это по-русски, тот же тиристор, но пропускает ток в любом направлении, а в остальном всё тоже, всё также (как и у тиристора)! А теперь ближе к делу. Чем же нам интересен этот «ненормальный» симистор? Вроде бы прилично выглядит?.. Дело в том, что на этом симисторе работает так называемый регулятор оборотов двигателя дрели о котором мы талдычим с самого начала. Посмотрите на рис8а,b,с. Это диаграммы работы симистора в разных режимах. Рис8а верхняя диаграмма это напряжение сети, те самые 220 V. То самое, ток которого наш симистор и должен пропустить на мотор (двигатель), либо полностью, либо прикрутить его немного (регулировать). Диаграмма ниже тоже самое напряжение U2 но меньшей величины и поданное на управляющий электрод, да тот самый, что и открывает симистор. Нижняя диаграмма это то, что и идёт на нагрузку (двигатель). В смысле, что получилось, то и получилось! Не синусоида, однако?!
А теперь и сам процесс! При определённом напряжении U2 (токе) симистор откроется. Немного отступления для тех кто ещё не догадался? Напряжение U2, это как бы половинки синусоиды (в миру полупериоды), но для удобства отрицательные повёрнуты на 180° хотя и нужно их представлять отрицательными. Чёрная линия пересекающая эти пупрышки (полупериоды) и есть тот уровень срабатывания (открытия) симистора. Причём для положительного полупериода, — положительное, отрицательного само собой, отрицательное! После чего он остаётся открытым до момента перехода синусоиды через ноль! А дальше он (симистор) закрывается, сидит и ждёт когда же это напряжение U2 полупериода возрастёт до той чёрной линии... И всё повторится сначала! Этот судьбоносный момент обозначен штриховой красной линией. С этого момента напряжение на выходе появляется. Это и есть отрезанный кусок полупериода (жёлтого цвета). Так-как симистор начинает пропускать ток не сначала, а только при достижение уровня U2, отсюда и отрезанная часть. На диаграмме управляющего напряжения время ожидания — зелёный сектор. А дальше по закону синусоиды... А так-как следующий полупериод отрицательный, то и управляющее напряжение открывающее симистор тоже отрицательное. Форма выходного импульса точно такая же как и у положительного, только «вверх ногами»!
Так как же нам этим всем управлять? Нужно регулировать (вручную) величину управляющих полупериодов. Чем она больше, тем уровень запуска наступит (достигнет) раньше и в пределе почти сразу же... А, если уменьшить? То точка пересечения уровня начнёт скользить по кривой U2 постепенно приближаясь к вершине как на рис8b. А, мы с Вами получим на выходе (нагрузке) ровно разрезанный пополам полупериод. Это означает, что мы сможем своими ручкокручением регулировать напряжение (ток, мощность) только от 50% до 100%. И никак уж не до нуля! Как же быть? Посмотрите на рис8с. Здесь U2 было сдвинуто по оси времени (по фазе) и тогда точка открытия симистора тоже сместилась (вправо). И, что с того? А-то! То, что симистор открывается, что называется перед самым окончанием полупериода. То есть не успел симистор открыться, как переход входного напряжения закроет его. А на выходе получаются всего лишь вот такие огрызки. А если бы мы сдвинули U2 до времени перехода U1 через ноль, то симистор вообще бы никогда не открылся! На выходе U3 всё время ровнялось бы нулю. Вот и получается, что используя оба способа влияния U2 на запуск симистора мы можем регулировать U3 и стало быть обороты двигателя от 0 до 100%. Вот такая сказка получается.
Как уж там в действительности устроено (в регуляторе), я не знаю, но факт, что принцип работает. А полупринципиальная схема на рис9. Здесь в центре тот самый ужасный регулятор с реальными размерами 50Х30 мм. Проводки подходяще к нему изображены чисто символически и в реальности в разных типах регуляторов могут по-разному подключаться. Выступ слева от корпуса и есть та красная кнопка, включающая и регулирующая процесс. На самом краю белое колёсико ограничивает глубину нажатия кнопки, тем самым регулирует пределы те самые 50-100% или 0-100% ?! Иногда это делают в виде эргономического (красного) курка как на рис1.
Ну и уж если мы так долго кружили вокруг и около, то рассмотрим (для общего понятия) устройство дрели рис1. Всё заключено в пластиковый корпус естественно. Где внутренности (внешности): 1 — патрон для удержания сверла; 3 — двигатель; 4 — тот самый курок-регулятор оборотов; 5 — сетевой кабель питания; 6 — высокочастотные фильтры сетевых помех. На рисунке виден отливающий медью тот загадочный коллектор, а буковками [a-b] показаны щётки. А, компот?! В смысле, а под цифрой 2, что??? Эт, чё за хрень?
На дачу (6 соток+курятник из доско-фанеры) приезжаю рано, часов пять-шесть утра... Но на этот раз как-то подзадержался и солнышко уже того... Подъезжаю на «лисапеде» к своей улице и слышу пулемётную очередь... Грохот стоит на всю округу... Подъезжаю ближе и вижу как сосед (ночлежник, на даче ночует) типа штакетник новый ставит. В руках какая-то хреновина и страшный грохот стоит! Оказывается у него в руках дрель грохочет... Да не простая, а ... Нет не золотая, а ударная. Или по-другому дрель-перфоратор. Торгаши продали дрель этому лопуху, а не догадались про два режима ему сказать... Вот он и сверлил свой штакетник как перфоратором! :-)) Так вот 2, это и есть ударный механизм, а вверху пимпочка-переключатель режимов. По большому счёту это конечно не перфоратор... Да, для дома, для семьи, так по чуть-чуть... Но уж никак не для профессиональной работы?!
Был у нас на работе один «бизнесмент» (челночник), он покупал в Польше вот такое барахло (дрель ударную) за 75 рэ а, продавал за 750! А в магазинах такое вообще за 1000 переваливало! Это конечно давно было... А так-как всем у нас заправляют руководящие бабы-дуры, то они и повелись на эти 750 рэ! В смысле за перфоратор, нужный нам позарез, надо отдать несколько тыщ, а тут 750! Принцип один и тот же, — пусть это дерьмо из дерьма, зато дёшево!!! :-)) Чем закончилось? Недели две помучались и на помойку!!! Зато дёшево! Там оказывается подшипники не качения (шарикоподшипники), а скольжения (втулки). Да, в вентиляторах, в электробритвах ещё куда ни шло... А у нас же бетоно-кирпичные стены в метр ширины... Ну, дык? Ума нет, считай калека! Х... с них (баб-дур) взять?! Если уж они догадались на всю нашу техгруппу купить ползунки (комбинезоны) одного размера и роста, то с дрелью уж им сам Бог велел!!! Ходили все мы в этих ползунках как пугало огородное?! :-))
А, чего это я ополчился на ударную дрель? Посмотрите на рис1. Там буковками обозначены: a — обычное сверло (режущая часть) по металлу (и по всему остальному :-))); b — сверло по бетону. В отличие от предыдущего, здесь на кончике вставка из твёрдого материала (победита?), потому-как обычного сверла всего лишь на пять минут хватит?! Но не смотря на твёрдость, толку с него мало если оно не будет всё время ещё и раскалывать частицы того самого бетона! Вот и поэтому ударная дрель, может работать по бетону. А зачем тогда перфоратор? Перфоратор это более мощный агрегат! Имеет три режима: вращения, удар и вращение-удар! И если в дрели патрон держит сверло с помощью только одной силы трения, то в перфораторе жёсткое сцепление! Вот на рис1с та самая часть перформаторного сверла (бура) что вставляется жёстко в специальный патрон.
Вот мы с Вами так много времени отдаём этой самой дрели? Ну... Это ведь только одно изделие, принцип-то используется не только в дрели... А перфоратор? А шуруповёрт, блэндер, дрель-миксер, и та же ударная? А любимая всеми раздолбаями-слесарями-водопроводчиками «болгарка» которой они пилят не взирая на лица, всё подряд?.. А швейная машинка? Правда регулировка скорости несколько иная, но движок-то такой же, коллекторный! Вот! А Вы говорите?!