Строение электродвигателя постоянного тока. Разбираемся в принципах работы электродвигателей: преимущества и недостатки разных видов

Как известно, электродвигатель постоянного тока – это устройство, которое с помощью двух своих основных деталей конструкции может преобразовывать электрическую энергию в механическую. К таким основным деталям относятся:

1. статор – неподвижная/статическая часть двигателя, которая вмещает в себе обмотки возбуждения на которые поступает питание;
2. ротор – вращающаяся часть двигателя, которая отвечает за механические вращения.

Кроме вышеупомянутых основных деталей конструкции электродвигателя постоянного тока, существуют также и вспомогательные детали, такие как:

1. хомут;
2. полюса;
3. обмотка возбуждения;
4. обмотка якоря;
5. коллектор;
6. щётки.

В совокупности все эти детали составляют цельную конструкцию электродвигателя постоянного тока. А теперь давайте более подробно рассмотрим основные детали электродвигателя.

Ярмо электродвигателя постоянного тока, которое изготавливают в основном из чугуна или стали, является неотъемлемой частью статора или статической частью электродвигателя. Его основная функция состоит в формировании специального защитного покрытия для более утончённых внутренних деталей двигателя, а также обеспечение поддержки для обмотки якоря. Кроме того, ярмо служит защитным покрытием для магнитных полюсов и обмотки возбуждения ДПТ, обеспечивая тем самым поддержку для всей системы возбуждения.

Полюса

Магнитные полюса электродвигателя постоянного тока – это корпусные детали, которые крепятся болтами к внутренней стенке статора. Конструкция магнитных полюсов содержит в своей основе только две детали, а именно – сердечник полюса и полюсный наконечник, которые состыкованы друг к другу под влиянием гидравлического давления и прикреплённые к статору.

Видео: Конструкция и сборка электродвигателя постоянного тока

Несмотря на это, эти две части предназначены для разных целей. Полюсный сердечник, например, имеет маленькую площадь поперечного сечения и используется, чтобы удерживать полюсный наконечник на ярмо, тогда как полюсный наконечник, имея относительно большую площадь поперечного сечения, используется для распространения магнитного потока созданного над воздушным зазором между статором и ротором, чтобы уменьшить потерю магнитного сопротивления. Кроме того, полюсный наконечник имеет множество канавок для обмоток возбуждения, которые и создают магнитный поток возбуждения.

Обмотки возбуждения электродвигателя постоянного тока выполнены вместе с катушками возбуждения (медный провод) навитыми на канавки полюсных наконечников таким образом, что когда ток возбуждения проходит сквозь обмотку, у смежных полюсов возникает противоположная полярность. По существу, обмотки возбуждения выступают в роли некоего электромагнита, способного создать поток возбуждения, внутри которого вращался бы ротор электродвигателя, а потом легко и эффективно его остановить.

Обмотка якоря

Обмотка якоря электродвигателя постоянного тока прикреплена к ротору или вращающейся части механизма, и, как результат, попадает под действие изменяющегося магнитного поля на пути его вращения, что напрямую приводит к потерям на намагничивание.

По этой причине ротор делают из нескольких низко-гистерезисных пластин электротехнической стали, чтобы снизить магнитные потери, типа потери на гистерезис и потери на вихревые токи соответственно. Ламинированные стальные пластины состыковывают друг к другу, чтобы тело якоря получило цилиндрическую структуру.

Тело якоря состоит из канавок (пазов), сделанных из того же материала, что и сердечник, к которому закреплены обмотки якоря и несколько равномерно распределённых по периферии якоря витков медного провода. Пазы канавок имеют пористые клинообразные спаи, чтобы в последствие источаемой во время вращения ротора большой центробежной силы, а также при наличии тока питания и магнитного возбуждения, предотвратить загибания проводника.

Существует два типа конструкции обмотки якоря электродвигателя постоянного тока:

• петлевая обмотка (у данном случае количество параллельных путей тока между переходниками (А) равно количеству полюсов (Р), то есть А = Р.
• волновая обмотка (у данном случае количество параллельных путей тока между переходниками (А) всегда равно 2, независимо от количества полюсов, то есть конструкции машины выполнены соответствующим образом).

Коллектор

Коллектор электродвигателя постоянного тока – это цилиндрическая структура из состыкованных между собой, но изолированных слюдой, медных сегментов. Если речь идет об ДПТ, то коллектор здесь используется в основном как средство коммутирования или передачи через щётки электродвигателя тока питания от сети на смонтированные во вращающейся структуре обмотки якоря.

Щётки

Щётки электродвигателя постоянного тока изготавливают из углеродных или графитных структур, создавая над вращающимся коллектором скользящий контакт или ползунок. Щётки используют для передачи электрического тока от внешнего контура на вращающуюся форму коллектора, где дальше он поступает на обмотки якоря. Коллектор и щётки электродвигателя используют, в общем, для передачи электрической энергии от статического электрического контура на область с механическим вращением, или просто ротор.

Устройство и принцип действия ДПТ

Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Электрические двигатели постоянного тока (ДПТ) отличает от других двигателей наличие специального механического коммутатора – коллектора. Несмотря на то, что из-за этого ДПТ менее надежны и дороже двигателей переменного тока, имеют большие габариты, они находят применение, когда их особые свойства имеют решающее значение. Часто ДПТ обладают преимуществами перед двигателями переменного тока по диапазону и плавности регулирования частоты вращения, по перегрузочной способности и экономичности, по возможности получения характеристик специального вида, и т.д.

В настоящее время ДПТ применяют в электроприводах прокатных станов, различных подъемных механизмов, металлообрабатывающих станков, роботов, на транспорте и т.д. ДПТ небольшой мощности используют в различных автоматических устройствах.

Устройство и принцип действия ДПТ

Внешний вид двигателя постоянного тока показан на рис. 1, а его поперечный разрез в упрощенном виде – на рис. 2. Как и любая электрическая машина, он состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор неподвижен, ротор вращается. Статор состоит из массивного стального корпуса 1, к которому прикреплены главные полюсы 2 и дополнительные полюсы 4. Главные полюсы 2 имеют полюсные наконечники, служащие для равномерного распределения магнитной индукции по окружности якоря. На главных полюсах размещают обмотки возбуждения 3, а на дополнительных – обмотки дополнительных полюсов 5.

Рис. 1. Внешний вид двигателя постоянного тока

Рис. 2. Поперечный разрез ДПТ (условное изображение): 1 – корпус; 2 – главные полюсы ; 3 – обмотка возбуждения; 4 – дополнительные полюсы; 5 – обмотка дополнительных полюсов; 6 – якорь; 7 – обмотка якоря; 8 – щетки; 9 – коллектор; 10 – вал.

В пазах, расположенных на поверхности якоря 6, размещается обмотка якоря 7, выводы от которой присоединяют к расположенному на валу 10 коллектору 9. К коллектору с помощью пружин прижимаются графитные, угольно-графитные или медно-графитные щетки 8.

Обмотка возбуждения машины питается постоянным током и служит для создания основного магнитного поля, показанного на рис. 2 условно с помощью двух силовых линий, изображенных пунктиром. Дополнительные полюсы 4 уменьшают искрение между щетками и коллектором. Обмотку дополнительных полюсов 5 соединяют последовательно с обмоткой якоря 7 и на электрических схемах часто не изображают. На рис. 2 показана машина постоянного тока с двумя главными полюсами. В зависимости от мощности и напряжения машины могут иметь и большее число полюсов. При этом соответственно увеличивается число комплектов щеток и дополнительных полюсов.

У ДПТ с независимым возбуждением, как показано на рис. 3, электрические цепи обмоток якоря 1 и возбуждения 2 электрически не связаны и подключаются к различным источникам питания с напряжениями и . Как правило, . В общем случае последовательно с якорной обмоткой и обмоткой возбуждения могут быть включены дополнительные резисторы r д и r р (см. рис.3). Их назначение будет пояснено далее.

Двигатели относительно небольшой мощности обычно изготавливают на одинаковые напряжения и . В этом случае цепи обмоток якоря и возбуждения соединяют между собой параллельно и подключают к общему источнику питания с напряжением . Такие ДПТ называют двигателями параллельного возбуждения . Если мощность источника питания значительно превышает мощность двигателя, то процессы в якорной обмотке и в обмотке возбуждения протекают независимо. Поэтому такие двигатели являются частным случаем ДПТ независимого возбуждения и их свойства одинаковы.

Рис. 3. Электрическая схема подключения ДПТ независимого возбуждения: 1 – цепь обмотки якоря; 2 – цепь обмотки возбуждения.

При подключении двигателя к источнику питания в обмотке якоря протекает ток I я, который взаимодействует с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения. В результате этого возникает электромагнитный момент, действующий на якорь

где k – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф – магнитный поток одного полюса.

При превышении моментом М момента сопротивления нагрузки М с якорь начинает вращаться с угловой скоростью w и в нем наводится ЭДС

У двигателей полярность ЭДС Е противоположна полярности напряжения источника U , поэтому с ростом скорости w ток I я уменьшается

(3)

где r я – сопротивление якорной цепи двигателя при r д = 0.

Из соотношения (1) следует, что это приводит к снижению электромагнитного момента. При равенстве моментов и скорость вращения якоря перестает изменяться. Чтобы изменить направление вращения двигателя следует изменить полярность напряжения . Это приведет к изменению направления тока и направления момента . Двигатель начнет замедляться, а затем разгонится в обратную сторону.

Пуск двигателя

В первое мгновение при пуске скорость двигателя w = 0 и в соответствии с формулой (2) ЭДС якоря Е = 0. Поэтому при подключении якоря двигателя к напряжению пусковой ток якоря , как следует из формулы (3), ограничивается только сопротивлением якорной цепи r я (при r д =0)

Значение сопротивления относительно невелико (обычно в пределах 1 Ом), поэтому если напряжение близко по значению к номинальному напряжению, значение пускового тока может в (10–30) раз превышать номинальное значение тока двигателя . Это недопустимо, поскольку ведет к сильному искрению и разрушению коллектора, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.

Как следует из формулы (4), одним из вариантов ограничения пускового тока является увеличение суммарного сопротивления якорной цепи ДПТ при неизменном значении напряжения U . Для этого последовательно с якорем включают дополнительный пусковой реостат (на рис. 3 не показан), который обычно выполняют в виде нескольких ступеней. Ступени пускового реостата выключают поэтапно по мере увеличения скорости двигателя. При этом в якоре двигателя за время пуска могут выделяться значительные потери мощности.

Более экономичным способом снижения пускового тока является пуск ДПТ при плавном увеличении напряжения на якоре U по мере разгона двигателя и увеличения ЭДС Е . Как следует из выражения (3), можно подобрать такой темп увеличения напряжения U , при котором ток на протяжении всего времени пуска не будет превышать допустимого значения. В лабораторной установке, используемой при выполнении данной работы, используется именно этот более экономичный способ ограничения пускового тока.

Электродвигатель постоянного тока был изобретен раньше других типов машин, преобразующих электрическую энергию в механическую. Несмотря на то, что позднее самое широкое распространение получили двигатели переменного тока, существуют сферы применения, в которых нет альтернативы электродвигателям постоянного тока.

Электродвигатель постоянного и переменного тока

История изобретения

Электродвигатель Якоби.

Для того чтобы понять принцип работы электрических двигателей постоянного тока (ДПТ) мы обратимся к истории его создания. Итак, первые опытные доказательства того, что электрическую энергию можно превращать в механическую, продемонстрировал Майкл Фарадей. В 1821 году он провел опыт с проводником, опущенным в сосуд, наполненный ртутью, на дне которого располагался постоянный магнит. После подачи электричества на проводник, тот начинал вращаться вокруг магнита, демонстрируя свою реакцию на имеющееся в сосуде магнитное поле. Эксперимент Фарадея не нашел практического применения, но доказал возможность создания электрических машин, и дал старт развитию электромеханики.

Первый электрический двигатель постоянного тока, в основу которого был положен принцип вращения подвижной части (ротора) был создан русским физиком-механиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Это устройство работало следующим образом:

Описанный принцип использовался в двигателе, который Якоби установил на лодке с 12 пассажирами в 1839 году. Судно двигалось рывками со скоростью в 3 км/ч против течения (по другим данным - 4.5 км/ч), но успешно пересекло реку и высадило пассажиров на берег. В качестве источника питания использовалась батарея с 320 гальваническими элементами, а движение осуществлялось с помощью лопастных колес.

Дальнейшее изучение вопроса привело исследователей к разрешению массы вопросов, касаемо того, какие источники питания лучше использовать, как улучшить его рабочие характеристики и оптимизировать габариты.

В 1886 году Фрэнком Джулиан Спрэгом впервые был сконструирован электродвигатель постоянного тока, близкий по конструкции тем, которые применяются в наши дни. В нем был реализован принцип самовозбуждения и принцип обратимости электрической машины. К этому моменту все двигатели данного типа перешли на питание от более подходящего источника – генератора постоянного тока.

Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины

Устройство и принцип работы

В современных ДПТ используется все тот же принцип взаимодействия заряженного проводника с магнитным полем. С усовершенствованием технологий устройство лишь дополняется некоторыми элементами, улучшающими производительность. К примеру, в наши дни постоянные магниты используются лишь в двигателях низкой мощности, поскольку в крупных аппаратах они занимали бы слишком много места.

Основной принцип

Первоначальные прототипы двигателей данного типа были заметно проще современных аппаратов. Их примитивное устройство включало в себя лишь статор из двух магнитов и якорь с обмотками, на которые подавался ток. Изучив принцип взаимодействия магнитных полей, конструкторы определили следующий алгоритм работы двигателя:

1. Подача питания создает на обмотках якоря электромагнитное поле.
2. Полюса электромагнитного поля отталкиваются от одноименных полюсов поля постоянного магнита.
3. Якорь вместе с валом, на котором он закреплен, вращается в соответствии с отталкивающимся полем обмотки.

Данный алгоритм отлично работал в теории, однако на практике перед создателями первых двигателей вставали характерные проблемы, препятствовавшие функционированию машины:

• Мертвое положение, из которого двигатель невозможно запустить – когда полюса точно сориентированы друг перед другом.
• Невозможность пуска из-за сильного сопротивления или слабого отталкивания полюсов.
• Ротор останавливается после совершения одного оборота. Это связано с тем, что после прохождения половины окружности притягивание магнита не разгоняло, а тормозило вращение ротора.

Решение первой проблемы было найдено довольно быстро – для этого было предложено использовать более двух магнитов. Позднее в устройство двигателя стали включать несколько обмоток и коллекторно-щеточный узел, который подавал питание только на одну пару обмоток в определенный момент времени.

Коллекторно-щеточная система подачи тока решает и проблему торможения ротора – переключение полярности происходит до того момента, когда вращение ротора начинает замедляться. Это значит, что во время одного оборота двигателя происходит как минимум два переключения полярности.

Проблема слабых пусковых токов рассматривается ниже в отдельном разделе.

Конструкция

Итак, постоянный магнит закрепляется на корпусе двигателя, образуя вместе с ним статор, внутри которого располагается ротор. После подачи питания на обмотке якоря возникает электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с магнитным полем статора, это приводит к вращению ротора, жестко посаженного на вал. Для передачи электрического тока от источника к якорю двигатель оснащается коллекторно-щеточным узлом, состоящим из:

1. Коллектора. Он представляет собой токосъемное кольцо из нескольких секций, разделенных диэлектрическим материалом, подключается к обмоткам якоря и крепится непосредственно на валу двигателя.
2. Графитовых щеток. Они замыкают цепь между коллектором и источником питания с помощью щеток, которые прижимаются к контактным площадкам коллектора прижимными пружинами.

Обмотки якоря одними концами соединяются между собой, а другими – с секциями коллектора, образуя таким образом цепь, по которой ток идет по следующему маршруту: входная щетка –> обмотка ротора -> выходная щетка.

Приведенная принципиальная схема (рис. 3) демонстрирует принцип работы примитивного электродвигателя постоянного тока с коллектором из двух секций:

1. В этом примере мы будет считать стартовым положением ротора то, которое нарисовано на схеме. Итак, после подачи питания на нижнюю щетку, помеченную знаком «+», ток протекает по обмотке и создает вокруг нее электромагнитное поле.
2. По правилу буравчика в левой нижней части формируется северный полюс якоря, а на правой верхней – южный. Располагаясь вблизи одноименных полюсов статора, они начинают отталкиваться, приводя тем самым ротор в движение, которое продолжается до тех пор, пока противоположные полюса не окажутся на минимальном друг от друга расстоянии, то есть придут в окончательное положение (рис. 1).
3. Конструкция коллектора на данном этапе приведет к переключению полярности на обмотках якоря. В результате этого полюса магнитных полей снова окажутся на близком расстоянии и начнут отталкиваться.
4. Ротор совершает полный оборот, и коллектор снова меняет полярность, продолжая его движение.

Детали электродвигателя постоянного тока

Здесь, как уже было отмечено, продемонстрирован принцип работы примитивного прототипа. В настоящих двигателях используется более двух магнитов, а коллектор состоит из большего числа контактных площадок, благодаря чему обеспечивается плавное вращение.

В высокомощных двигателях использование постоянных магнитов не представляется возможным из-за их большого размера. Альтернативой для них служит система из нескольких токопроводящих стержней, на каждой из которых имеется своя обмотка, подключаемая к питающим шинам. Одноименные полюса включаются в сеть последовательно. На корпусе может присутствовать от 1 до 4 пар полюсов, а их количеству должно соответствовать число токосъемных щеток на коллекторе.

Электродвигатели, рассчитанные на большую мощность, обладают рядом функциональных преимуществ перед более «легкими» аналогами. К примеру, здешнее устройство токосъемных щеток поворачивает их на определенный угол относительно вала для компенсации торможения вала, названного «реакцией якоря».

Пусковые токи

Постепенное оснащение ротора двигателя дополнительными элементами, обеспечивающими его бесперебойную работу и исключающими секторальное торможение, возникает проблема его запуска. Но все это увеличивает вес ротора – с учетом сопротивления вала столкнуть его с места становится сложнее. Первым решением этой проблемы, приходящим в голову, может быть увеличение силы тока, подаваемой на старте, но это может привести к неприятным последствиям:

• защитный автомат линии не выдержит тока и отключится;
• провода обмотки сгорят от перегрузки;
• секторы переключения на коллекторе приварятся от перегрева.

Поэтому такое решение можно назвать скорее рискованной полумерой.

Вообще, данная проблема является главным недостатком электродвигателей постоянного тока, но включает в себя основное их преимущество, благодаря которому они незаменимы в некоторых областях. Преимущество это заключается в прямой передаче момента вращения сразу же после пуска – вал (если тронется с места) будет крутиться с любой нагрузкой. Двигатели переменного тока на такое не способны.

Решить эту проблему полностью до сих пор не удалось. На сегодняшний день для пуска таких двигателей используется автомат-стартер, чей принцип работы схож с автомобильной коробкой передач:

1. Сначала ток постепенно поднимается до пускового значения.
2. После «сдвига» с места значение тока резко падает и снова плавно поднимается «подгоняя вращение вала».
3. После подъема до предельного значения сила тока снова снижается и «подгоняется».

Данный цикл повторяется 3-5 раз (рис. 4) и решает необходимость старта двигателя без возникновения критических нагрузок в сети. Фактически, «плавный» запуск по-прежнему отсутствует, однако оборудование работает безопасно, а главное достоинство электродвигателя постоянного тока – крутящий момент – сохраняется.

Схемы подключения

Подключение ДПТ выполняется несколько сложнее, в сравнении с двигателями со спецификацией на переменный ток.

У двигателей высокой и средней мощности, как правило, есть специальные контакты обмотки возбуждения (ОВ) и якоря, вынесенные в клеммную коробку. Чаще всего на якорь подают выходное напряжение источника, а на ОВ – ток, отрегулированный, как правило, реостатом. Скорость вращения двигателя напрямую зависит от силы тока, поданного на обмотку возбуждения.

Есть три основные схемы включения якоря и обмотки возбуждения электродвигателей постоянного тока:

1. Последовательное возбуждение используется в моторах, от которых требуется большая сила тока на старте (электрический транспорт, прокатное оборудование и т.п.). Данная схема предусматривает последовательное подключение ОВ и якоря к источнику. После подачи напряжения по обмоткам якоря и ОВ проходят токи одинаковой величины.Следует учитывать, что снижение нагрузки на вал даже на четверть при последовательном возбуждении приведет к резкому повышению оборотов, что может привести к поломке двигателя, поэтому эта схема и используется в условиях постоянной нагрузки.
2. Параллельное возбуждение применяется в моторах, обеспечивающих работу станкового, вентиляторного и прочего оборудования, которое в момент пуска не оказывает высокую нагрузку на вал. В этой схеме для возбуждения ОВ используется независимая обмотка, регулируемая, чаще всего, реостатом.
3. Независимое возбуждение очень схоже с параллельным, но в данном случае для подачи питания ОВ используется независимый источник, что исключает появление электрической связи между якорем и обмоткой возбуждения.

В современных электрических двигателях постоянного тока могут применяться смешанные схемы, основанные на базе трех описанных.

Регулировка скорости вращения

Способ регулирования оборотов ДПТ зависит от схемы его подключения:

1. В моторах с параллельным возбуждением снижение оборотов относительно номинала можно производить изменяя напряжение якоря, а повышение – ослабляя поток возбуждения. Для увеличения оборотов (не более чем в 4 раза относительно номинальной величины) в цепь ОВ добавляется реостат.
2. При последовательном возбуждении регулировка легко осуществляется переменным сопротивлением в цепи якоря. Правда этот метод подходит только для снижения оборотов и лишь в соотношениях 1:3 или 1:2 (кроме того, это приводит к большим потерям в реостате). Повышение осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи ОВ.

Данные схемы редко применяются в современном высокотехнологичном оборудовании, поскольку обладают узким диапазоном регулировки и другими недостатками. В наши дни для этих целей все чаще создают электронные схемы управления.

Реверсирование

Для того чтобы реверсировать (обратить) вращение двигателя постоянного тока необходимо:

• при последовательном возбуждении – просто изменить полярность входных контактов;
• при смешанном и параллельном возбуждении – необходимо менять направление тока в обмотке якоря; разрыв ОВ может привести к критическому повышению нагнетаемой электродвижущей силы и пробою изоляции проводов.

Сфера применения

Как вы уже поняли, использование электродвигателей постоянного тока целесообразно в условиях, когда постоянное беспрерывное подключение к сети неосуществимо. Хорошим примером здесь может служить автомобильный стартер, толкающий двигатель внутреннего сгорания «с места», или детские игрушки с моторчиком. В данных случаях для запуска двигателя используются аккумуляторные батареи. В промышленных целях ДПТ применяются на прокатных станах.

Основная же сфера применения ДПТ – электрический транспорт. Пароходы, электровозы, трамваи, троллейбусы и другие аналогичные имеют очень большое пусковое сопротивление, преодоление которого возможно только с помощью двигателей постоянного тока с их мягкими характеристиками и широкими пределами регулировки вращения. С учетом стремительного развития и популяризации экологических транспортных технологий, сфера применения ДПТ лишь увеличивается.

Самый простой щёточно-коллекторный узел

Достоинства и недостатки

Резюмируя все вышесказанное, можно описать характерные для электродвигателей постоянного тока достоинства и недостатки относительно их аналогов, рассчитанных на работу от переменного тока.

Основные достоинства:

• ДПТ незаменимы в ситуациях, когда необходим сильный пусковой момент;
• скорость вращения якоря легко регулируется;
• двигатель постоянного тока является универсальной электрической машиной, то есть может применяться в качестве генератора.

Главные недостатки:

• ДПТ имеют высокую производственную стоимость;
• использование щеточно-коллекторного узла приводит к необходимости частого техобслуживания и ремонта;
• для работы нужен источник постоянного тока или выпрямители.

Электродвигатели постоянного тока, безусловно, проигрывают своим «переменным» сородичам по стоимости и надежности, однако используются и будут использоваться, поскольку плюсы от их использования в определенных сферах категорические перечеркивают все минусы.

Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока. В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день. Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.

Устройство и принцип работы

ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла. Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток. Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.

Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться. Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку. В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.
Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря. Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.

Двигатели постоянного тока делятся на:
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.
Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.

Краткая история создания

Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом. При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.
В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ. Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.

Особенности ДПТ

Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.
Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.
Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.
КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.

Достоинства и недостатки ДПТ

К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;
— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.

Сфера применения

Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д. кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах. Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.

Электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются не так часто, как двигатели переменного тока. Ниже приведем их достоинства и недостатки.

В быту двигатели постоянного тока нашли применение в детских игрушках, так как источниками для их питания служат батарейки. Используются они на транспорте: в метрополитене, трамваях и троллейбусах, автомобилях. На промышленных предприятиях электродвигатели постоянного тока применяются в приводах агрегатов, для бесперебойного электроснабжения которых используются аккумуляторные батареи.

Конструкция и обслуживание двигателя постоянного тока

Основной обмоткой двигателя постоянного тока является якорь , подключающийся к источнику питания через щеточный аппарат . Якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора (обмотками возбуждения) . Торцевые части статора закрыты щитами с подшипниками, в которых вращается вал якоря двигателя. С одной стороны на этом же валу установлен вентилятор охлаждения, прогоняющий поток воздуха через внутренние полости двигателя при его работе.

Щеточный аппарат – уязвимый элемент в конструкции двигателя. Щетки притираются к коллектору, чтобы как можно точнее повторять его форму, прижимаются к нему с постоянным усилием. В процессе работы щетки истираются, токопроводящая пыль от них оседает на неподвижных частях, ее периодически нужно удалять. Сами щетки нужно иногда перемещать в пазах, иначе они застревают в них под действием той же пыли и «зависают» над коллектором. Характеристики двигателя зависит еще и от положения щеток в пространстве в плоскости вращения якоря.

Со временем щетки изнашиваются и заменяются. Коллектор в местах контакта со щетками тоже истирается. Периодически якорь демонтируют и протачивают коллектор на токарном станке. После протачивания изоляция между ламелями коллектора срезается на некоторую глубину, так как она прочнее материала коллектора и при дальнейшей выработке будет разрушать щетки.

Схемы включения двигателя постоянного тока

Наличие обмоток возбуждения – отличительная особенность машин постоянного тока. От способов их подключения к сети зависят электрические и механические свойства электродвигателя.

Независимое возбуждение

Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.

Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.

Параллельное возбуждение

Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.

Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.

Смешанное возбуждение

При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.

Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений.