Перейдем теперь к рассмотрению отдельных узлов лентопротяжного механизма. Один из наиболее важных узлов такого механизма - электродвигатель. От правильного выбора электродвигателя для данного лентопротяжного механизма зависят не только параметры последнего, но и работа магнитофона в целом. Особенно это относится к малогабаритным носимым магнитофонам с питанием от автономных источников тока.
В популярной литературе о магнитной записи звука мало или почти не уделяется внимания электродвигателям. Мы решили рассказать об этом узле подробнее.
В лентопротяжных механизмах профессиональных, бытовых и любительских магнитофонов с питанием от электрической сети переменного тока применяют, как правило, однофазные синхронные или асинхронные электродвигатели переменного тока. Такой электродвигатель состоит из статора с четным числом полюсов, в пазах между которыми размещены рабочая (основная) и фазосдвигающая (дополнительная, или возбуждающая) обмотки, и ротора, выполненного обычно в виде так называемой беличьей клетки.
В магнитофонах с питанием от автономных источников тока (батарей, аккумуляторов и т. п.) обычно используют коллекторные электродвигатели с регулятором оборотов. Одно из основных условий, предъявляемых к таким электродвигателям,- малое потребление тока от источника питания при высоком КПД. Поэтому в таких электродвигателях вместо обмотки возбуждения применяют постоянный магнит из высокоэрцитивного сплава.
Устройство и принцип действия коллекторного электродвигателя постоянного тока вам должен быть хорошо известен из школьного курса физики. Однако некоторые положения нам придется напомнить.
Из основ электротехники известно, что если проводник поместить в магнитное поле и пропустить через него постоянный электрический ток, то на проводник будет действовать сила, стремящаяся вытолкнуть его из магнитного поля. Эта электромагнитная сила пропорциональна магнитной индукции, длине проводника и току, а ее направление действия можно определить по правилу левой руки.
Статор коллекторного электродвигателя имеет обычно два полюса. Когда около одного полюса ток в проводнике ротора направлен в одну сторону, тогда под другим полюсом он направлен в противоположную сторону. Поэтому в электродвигателе постоянного тока по обмотке ротора проходит переменный ток. На два противоположных проводника ротора действует сила, которая создает вращающий момент. Однако этот вращающий момент (условно назовем его расчетным) никогда не бывает равен действительному. В реальных условиях работы электродвигателя часть вращающего момента будет затрачена на покрытие потерь внутри самого электродвигателя, например на преодоление трения в подшипниках вала ротора. Поэтому действующий вращающий момент всегда меньше расчетного.
Посмотрим теперь, что происходит с электродвигателем при его работе. Как только ротор электродвигателя начал вращаться, в проводе его обмотки будет наводиться э.д.с., которая по закону Ленца направлена против направления источника тока. Исходя из этого положения, потребляемый электродвигателем ток I может быть определен отношением: I = (U - E)/R, A;
где U - напряжение источника тока, В;
Е - э. д. с., наводимая в обмотке ротора, В;
R - сопротивление обмотки ротора, Ом.
Пока к валу электродвигателя не приложено никакой механической нагрузки, электродвигатель работает в так называемом режиме холостого хода и его ротор вращается с наибольшей скоростью. При этом в обмотке ротора наводится наибольшая э.д.с., а потребляемый электродвигателем ток будет наименьшим. Но ротор никогда не может развить такую скорость вращения, при которой э.д.с. Е сравнивалась бы с приложенным напряжением U. Если бы это произошло, то числитель приведенной формулы превратился бы в нуль, электродвигатель перестал бы потреблять ток от источника питания и вращающий момент стал бы равен нулю.
В реальных условиях работы к валу электродвигателя всегда приложена какая-то нагрузка, состоящая из сопротивления механизма, который электродвигатель приводит в движение. Когда эта нагрузка мала, ток, потребляемый электродвигателем, невелик. По мере увеличения нагрузки возрастает потребляемый ток и снижаются обороты ротора. Может наступить момент, когда нагрузка на вал электродвигателя превысит допустимую и ротор остановится. Состояние электродвигателя, когда он подключен к источнику тока, а его ротор из-за чрезмерной нагрузки на вал не вращается, называется коротким замыканием электродвигателя. Из той же формулы видно, что при коротком замыкании электродвигатель будет потреблять наибольший ток, так как при неподвижном роторе э.д.с. равна нулю. Следовательно, в момент включения электродвигателя, когда ротор неподвижен, ток в его обмотке может в несколько раз превышать номинальный. Но этот ток причинить вреда электродвигателю не может, ибо он действует недолго и за небольшое время разгона ротора обмотки перегреваться не успевают.
Обратили ли вы внимание на то обстоятельство, что по мере увеличения нагрузки на вал электродвигателя обороты ротора понижаются. Говоря иначе, число оборотов ротора зависит от приложенного к валу электродвигателя момента нагрузки. Зависимость скорости вращения ротора от приложенного момента нагрузки показывает механическую характеристику электродвигателя. Электродвигатели постоянного тока обладают, как правило, так называемой мягкой механической характеристикой, когда всякое увеличение момента нагрузки вызывает уменьшение скорости вращения ротора. Но как мы выяснили ранее, электродвигатель, приводящий в движение лентопротяжный механизм магнитофона, должен иметь постоянную скорость вращения ротора, мало зависящую от момента нагрузки, который в лентопротяжном механизме может изменяться в довольно широких пределах. Чтобы такой электродвигатель можно было использовать в лентопротяжном механизме магнитофона, к нему добавляют регулятор скорости вращения ротора.
Одним из старейших, широко распространенным и хорошо зарекомендовавшим себя является способ стабилизации вращения ротора с помощью центробежного регулятора контактного типа, который при простоте конструкции обеспечивает достаточно высокую стабильность и надежность в работе. Устройство контактного центробежного регулятора показано на рис. 35. Он представляет собой устройство с разрывным электрическим контактом, размещенное на валу электродвигателя. Контакты регулятора включают последовательно с обмоткой ротора. Их назначение - автоматическое отключение или включение обмотки электродвигателя от источника питания. Такой центробежный регулятор имеет подвижный 1 и неподвижный 2 контакты. Подвижный контакт снабжен грузиком 3 и возвратной пружиной 4, которая прижимает подвижный контакт к неподвижному. Последний обычно делают регулируемым, например, объединяют его с винтом 5. Подбирая положение неподвижного контакта, можно в небольших пределах изменять скорость вращения ротора. Этим обеспечивается регулировка центробежного регулятора на заданную скорость вращения ротора.
Работа регулятора основана на взаимодействии центробежной силы, действующей на грузик, и противодействия ей силы возвратной пружины. При включении электродвигателя, когда его ротор, вращаясь, набирает обороты, центробежная сила постепенно возрастает, а сила противодействия возвратной пружины остается неизменной. Когда скорость вращения ротора достигнет определенного значения, действие силы возвратной пружины компенсируется центробежной силой грузика и наступает равновесие системы, при котором давление на контакты регулятора приближается к нулю. В этих условиях достаточно малейшего увеличения скорости вращения ротора и контакты регулятора разомкнутся, прерывая питание обмотки электродвигателя. Тотчас же произойдет снижение числа оборотов ротора, центробежная сила уменьшится и контакты регулятора вновь соединятся между собой, что приведет к подключению обмотки электродвигателя к источнику питания и увеличению скорости вращения ротора. Таким образом, работа регулятора будет циклической и его подвижный контакт, постоянно вибрируя, то подключает, то отключает обмотку электродвигателя от источника питания. При этом скорость вращения ротора также будет изменяться, колеблясь между максимальным и минимальным ее значениями, но вблизи какого-то среднего значения, которое называется средней скоростью вращения ротора.
По конструкции контактный центробежный регулятор может быть реверсивным или нереверсивным. В первом случае он одинаково работает при любом направлении вращения ротора, а во втором - только при определенном направлении вращения ротора: правом или левом. Применяемые в бытовой аппаратуре магнитной записи звука электродвигатели с контактным центробежным регулятором обеспечивают среднюю скорость вращения ротора с колебаниями в пределах +-1 - 2%, причем эти колебания средней скорости обеспечиваются при больших перепадах момента нагрузки, напряжения источника питания и окружающей температуры.
Основным недостатком контактного центробежного регулятора было и остается до сих пор наличие разрывных контактов, работа которых протекает в тяжелых условиях. Поэтому надежность работы электродвигателя с контактным центробежным регулятором в большой степени зависит от работы контактов регулятора, где нарушение контактирования обычно происходит не из-за подгорания или износа контактов, а из-за образования на них неэлектропроводящих пленок, налета или прилипания частичек пыли. Исторически сложилось так, что центробежные регуляторы стали применять в электродвигателях задолго до появления транзисторов. В то время защита контактов регулятора, включаемых непосредственно в цепь питания ротора, сводилась к шунтированию их резисторами или цепочками, состоящими из резистора и конденсатора. Резисторы, включенные параллельно контактам регулятора, не позволяют развиваться высокому напряжению в момент разрыва индуктивной цепи ротора. Очевидно, что чем меньше сопротивление шунтирующего резистора, тем лучше он защищает контакты регулятора. Но беспредельно уменьшать сопротивление резистора нельзя, так как это приводит к увеличению тока, протекающего через резистор, и, как следствие, к нарушению стабилизации скорости вращения ротора.
С широким распространением транзисторов их стали использовать для защиты контактов центробежного регулятора. Одновременно они способствуют подавлению электромагнитных помех, образующихся при работе регулятора. Правда, в большинстве случаев требования, предъявляемые к защите контактов и подавлению помех, оказываются несовместимыми, и тогда для подавления помех приходится применять специальные защитные фильтры. Одна из наиболее простых и хорошо зарекомендовавших себя схем защиты контактов центробежного регулятора с помощью проходного транзистора Т показана на рис. 36. В этой схеме режим работы транзистора подобран таким образом, что в момент замыкания контактов регулятора ЦР он отпирается и сопротивление между коллектором и эмиттером транзистора резко уменьшается. Так как этот участок цепи включен параллельно резистору Ю, он шунтирует его, увеличивая напряжение на обмотке электро-двигателя, и скорость вращения ротора возрастает. Когда обороты ротора достигнут определенного предела, контакты регулятора разомкнутся, транзистор закроется, сопротивление между коллектором и эмиттером возрастет и на резисторе R3 произойдет падение напряжения питания. Это приведет к уменьшению напряжения на обмотке электродвигателя и, как следствие, к уменьшению скорости вращения ротора. Но в это время контакты центробежного регулятора замкнутся, транзистор откроется и работа схемы начнется сначала, повторяясь столько раз, сколько раз будут размыкаться или замыкаться контакты регулятора.
