Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование

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.

Устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может использоваться как двигатель или генератор, так как конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) аналогична конструкции генератора. Особенностью ДПТ является механический инвертор (коммутатор). Этот коммутатор имеет скользящие контакты в виде щёток, которые расположены так, что они изменяют полярность обмоток якоря (катушек) во время вращательного движения.

Особенности и устройство ДПТ

ДПТ представляет собой вращающуюся электрическую машину, работающую от постоянного тока. В зависимости от направления потока мощности проводится различие между двигателем (электродвигатель с электрической и механической мощностью) и генератором (электрический генератор, на который подаётся механическая мощность, а также электроэнергия). ДПТ могут запускаться под нагрузкой, их скорость легко изменить. В режиме генератора ДПТ преобразует напряжение переменного тока , подаваемое ротором, в пульсирующее постоянное напряжение.

История изобретения

Основываясь на развитии первых гальванических элементов в первой половине XIX века, первыми электромеханическими преобразователями энергии были машины постоянного тока. Первоначальная форма электродвигателя была разработана в 1829 году, а в 1832 году француз Ипполит Пиксии построил первый генератор. Антонио Пачинотти построил в 1860 году электродвигатель постоянного тока с многокомпонентным коммутатором. Фридрих фон Хефнер-Алтенек разработал барабанный якорь в 1872 году, который открыл возможность промышленного использования в области крупномасштабного машиностроения.

В последующие десятилетия такие машины из-за развития трехфазного переменного тока потеряли свою значимость в крупномасштабном машиностроении. Синхронные машины и системы с низким уровнем обслуживания асинхронного двигателя заменили их во многих устройствах.

Конструкция двигателя

Чтобы понять принцип действия ДПТ, нужно сначала изучить его конструктивные особенности, одной из которых является то, что в магнитном поле постоянного магнита установлен вращающийся проводящий контур.

Упрощая эту структуру, можно сказать, что двигатель состоит из двух основных компонентов:

1. Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
2. Проводящая петля (арматура) на сердечнике якоря, обычно состоящая из слоистых металлических листов.

Обе конструкции называются двигателями постоянного тока с внешним возбуждением. Электродинамический закон указывает, что токопроводящая петля проводника в магнитном поле представляет собой силу [F], зависящую от тока [I] и напряжённости магнитного поля [B]. Токопроводящий проводник окружен круговым магнитным полем. Если объединить магнитное поле магнитного поля с магнитным полем проводящей петли, можно обнаружить суперпозицию двух полей, а также результирующий силовой эффект.

Обмотка якоря состоит из двух половин катушки. Если применить напряжение постоянного тока к двум концам обмотки якоря, можно представить, что движущиеся носители заряда поступают в нижнюю половину катушки из верхней половины катушки.

Каждая токопроводящая катушка развивает собственное магнитное поле, и магнитное поле постоянного магнита накладывается на магнитное поле нижней половины катушки и поле верхней половины катушки. Линии поля постоянного магнитного поля всегда одного направления , они всегда показывают с севера на южный полюс. Напротив, поля двух половин катушки имеют противоположные направления.

В левой части поля половины катушки полевые линии поля возбудителя и поля катушки имеют одно и то же направление. Благодаря этому силовому эффекту в противоположном направлении на нижнем и верхнем концах арматуры создаётся крутящий момент, который вызывает вращательное движение якоря.

Якорь представляет собой так называемый двутавровый якорь. Эта конструкция получила название из-за своей формы, которая напоминает два составных «Т». Катушки якоря соединены с платами коммутатора (коллектора). Подача тока в обмотке якоря обычно осуществляется через угольные щётки, которые обеспечивают скользящий контакт с вращающимся коммутатором и подают катушкам электричество. Щётки изготавливаются из самосмазывающихся графитов, частично смешанных с медным порошком для небольших двигателей.

Принцип действия и использование

Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое - электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.

Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.

Настройка скорости

ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:

Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.

В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.

Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

1. игрушках;
2. сервомеханических устройствах;
3. приводах клапанов;
4. роботах;
5. автомобильной электронике.

Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.

Большая часть техники работает, принимая электроэнергию и переделывая ее в механическую. Устройство, которое осуществляет такое превращение, называется электрическим двигателем. Очень популярны двигатели постоянного тока, которые для краткости обозначают аббревиатурой ДПТ. Их важность в нашей жизни нельзя переоценить: устройство и принцип действия электродвигателя изучают даже в школах на уроках физики.

В основе ДТП лежит влияние магнитного поля на внесенный в него проводник с током. Если по проводнику дать течь электротоку, сформируется магнитное поле, линии которого примут вид концентрических окружностей с центром в этом проводе. Чтобы узнать направление этих линий необходимо применить правило буравчика. Согласно ему, если электроток в проводнике направлен от нас к плоскости рисунка, то магнитные линии направлены по часовой стрелке. Если он течет от плоскости на нас, то направление линий – против часовой стрелки.

А теперь представьте дугообразный магнит. Он проиллюстрирован на рисунке ниже. Он формирует магнитное поле, и между северным и южным полюсом его линии выстраиваются в параллельные прямые. Причем выходят они из северного, а заходят в южный.

А теперь представьте, что случится, если в магнитное поле дугообразного постоянного магнита внести проводник, по которому проходит электроток. Картина будет следующей: с одной стороны направление круговых линий магнитного поля этого проводника идут против линий поля магнита. По правилу сложения векторов результирующее поле будет слабым. А с противоположной стороны направление круговых линий совпадет с направлением линий поля постоянного магнита. Поэтому в этом месте результирующее поле сформируется сильным. Из-за разнохарактерности магнитного поля проводник приходит в ход из более сильной области в более слабую.

Вы можете несколькими способами расположить проводник между полюсами постоянного магнита. Можно сделать верхним северный полюс, а можно – южным. Ток в проводнике в одном опыте может идти от нас, а в других – к нам. От этих мелочей зависит, в каком направлении магнитное поле вытолкнет проводник. А чтобы определить ее точно, для электродвигателей применяют правило левой руки. Его смысл состоит в том, что если разместить левую руку так, чтобы линии магнитного поля постоянного магнита врезались в ладонь, а четыре пальца смотрели бы по ходу электротока в проводнике, то оттопыренный на 90 градусов большой палец укажет, куда будет отклоняться этот проводник.

Для справки! Сила, вынуждающая проводник двигаться в поле, называется силой Ампера. Численно она эквивалентна произведению силы тока в проводе и его длины, а также вектора магнитной индукции поля, в который помещен этот провод. Формула: F=IBL .

Модель ДПТ

Из теоретических основ видно, что для электродвигателя присутствие постоянного магнитного поля обязательно. Для этого в маломощных ДПТ применяют постоянные магниты. Для средне- и высокомощных агрегатов требовались бы очень громоздкие магниты, поэтому их заменяют обмоткой возбуждения, иногда – индуктором. По ним пропускают ток, и они формируют магнитное поле.

Элеентарная модель ДТП – это однородное магнитное поле, внутрь которого поставлена рамка. По ней пускают ток. Сначала она оборачивается, а достигнув положения «горизонтально» – останавливается. Такое положение называют мертвой точкой. Останавливается рамка потому, что по одной стороне ток течет в одну сторону, а с другой – в противоположную. Это значит, что они образуют взаимообратные поля. Они возмещают действия друг друга, и движение прекращается. Чтобы оно было бесконечным, необходима еще одна рамка, сцепленная с первой. Тогда всегда какая-то из двух рамок будет создавать разнородность в поле, которая будет заставлять двигаться рамочную систему целиком.

Устройство и принцип действия ДПТ

Устройство двигателя постоянного тока включает в себя:

• Якорь – подвижная часть мотора, его ротор. Визуально это пластины или вал с пазами, в которые уложен проводник;
• Статор – статическая часть, играющая роль подковообразного магнита. У статора может быть больше двух полюсов, но иллюстрировать мы будем работу двухполюсного электродвигателя (рисунок ниже);
• Коллектор – переключатель, соединяющий якорную намотку с электросхемой мотора. Необходим для изменения направления тока в проводе.

Теперь о том, как работает двигатель постоянного тока:

1. По верхнему проводнику якоря пускается электроток, направленный к плоскости рисунка;
2. По нижнему проводнику якоря электроток направляется к нам от рисунка;
3. Верхние провода по правилу левой руки под действием силы Ампера движутся вправо;
4. Нижние провода согласно тому же правилу направляются влево. Но поскольку провода уложены в пазы вала, объединяющего все намотки в единую систему, в движение приводится якорь целиком;
5. Когда намотка, в которой электроток движется к плоскости схемы, достигнет нижнего положения, по правилу левой руки она будет толкать якорь влево. Поэтому движение вала будет тормозиться;
6. Двигатели созданы для продолжительной работы, поэтому нельзя допустить торможения якоря. Для этого направление течения электротока нужно поменять в момент пересечения мертвой точки. Для этой цели и применяется коллектор.

Внимание! Коллектор меняет направление тока только в рамке, роль которой играет намотка якоря. Во внешней цепи течение сохраняется прежним.

Разновидности ДПТ

Двигатели ПТ делят на четыре группы:

1. Коллекторные .
   Их классифицируют по подтипам:
   1. С одним коллектором и четным числом намоток;
   2. С парой коллекторов и двумя обмотками;
   3. С тремя коллекторами и таким же числом намоток;
   4. С четырьмя коллекторами и двумя намотками;
   5. С четырьмя коллекторами и таким же числом обмоток на якоре;
   6. С восемью коллекторами и безрамочным якорем.

Это тип электродвигателя, описанный выше. Его преимущества – отличный запуск, нет затруднений в реверсировании и регулировании частоты вращения мотора. К достоинству также относят простое устройство и легкое управление. Недостаток только один – уж очень быстро изнашивается коллектор. А это не самый дешевый элемент двигателя.

1. Инверторные .

Инверторный ДПТ имеет те же преимущества, что и коллекторный. Отличие состоит лишь в том, что переключение производится электронным путем за счет передачи информации датчиком положения ротора. Поэтому мотор обретает дополнительное достоинство – отсутствие изнашиваемых элементов, что делает двигатель более экономичным.

1. Униполярный ДПТ .

В основе принципа действия такого двигателя – все то же влияние магнитного поля на проводник с током. Но в поле помещается не проволочная намотка, а диск на оси. Ток подается так: один контакт соединен с осью диска, а другой – с его краем.

1. Универсальный коллекторный ДПТ .

Устройство и принцип действия аналогичен коллекторному электродвигателю постоянного тока. Отличие содержится в том, что питать якорную намотку можно от источника, как постоянного тока, так и переменного. В сетях электроток имеет частоту 50 Гц. Значит, 50 раз в секунду токодвижение производится в одну сторону, и 50 раз – в другую. Казалось бы, якорь в таком случае с такой же частотой должен вращаться то в одну, то в другую сторону. Но этого не происходит, потому что общая цепь мотора соединена последовательно. И если меняется ток в якоре, то и в статоре тоже. Поэтому направление вращения вала сохраняется.

двигатель постоянного тока ,

Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение - создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу - лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.

Рисунок 1 – Машина постоянного тока:
I - вал; 2 - передний подшипниковый щит; 3 - коллектор; 4 - щеткодержатель; 5 - сердечник якоря с обмоткой; б - сердечник главного полюса; 7 - полюсная катушка; 8 - станина; 9 - задний подшипниковый щит; 10 - вентилятор; 11 - лапы; 12 - подшипник

Рисунок 2 – Полюса машины постоянного тока:
а - главный полюс; б - дополнительный полюс; в - обмотка главного полюса; г - обмотка дополнительного полюса; 1 - полюсный наконечник; 2 - сердечник
В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

Рисунок 3 – Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника
Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек - одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.
Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 - 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде "ласточкина хвоста", которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность "ласточкина хвоста", при втором - на "ласточкин хвост" и конец пластины.
Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым - клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы.
В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются "петушками".
В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца.
Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь.
Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 - 0,04 МПа.
Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик.
В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины.
Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые.
Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рисунок 4 – Щетки:
а - для машин малой и средней мощности; б - для машин большой мощности; 1 - щеточный канатик; 2 - наконечник
Различают обычные и фланцевые подшипниковые щиты.
Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения.
В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.

Если Вас интересуют подробности, то принцип действия двигателя постоянного тока подробно описан на множестве сайтов и даже с формулами. Мы решили поговорить не только об этом, но и о некоторых особенностях, которые не так широко известны.

Несколько слов о машинах постоянного тока

Был получен раньше переменного, и с момента появления начались эксперименты для чего этого зверя можно использовать. Довольно быстро была установлена связь между током, магнитным полем и вращением. Началось с того, что Фарадей ставил магнит в обмотку с проводами и обнаружил появление тока. После чего он обнаружил, что если сначала сунуть магнит внутрь катушки, а потом подать ток, то магнит выпихнет наружу. Или напротив втянет внутрь. Это и есть принцип работы машины постоянного тока – использование взаимодействия магнитного поля и электричества . А теперь обратим внимание на то, что если мы будет «совать» магнит, то получим электричество, а если подадим электричество – «выпихнем» магнит. То есть машины постоянного тока, устройство и принцип действия которых мы рассматриваем, являются именно машинами. То есть двигатель одновременно является и генератором, проще говоря, это машины обратимого преобразования механической энергии в электрическую энергию (ток). Магнит имеет два полюса, электричество плюс и минус. Взаимодействие магнита и тока в этом случае подчиняется сложным законам, но если нас интересует вращение, (а поступательно возвратные движения в технике нужны редко), то мы можем получить только одно направление – по часовой стрелке относительно полярности магнитов и направления тока. То самое всем знакомое «правило буравчика», или «правило левой руки». Мы запросто можем изменить полярность тока обмотки, поменяв два провода местами, но мы не сможем изменить полюса у магнита и просто сожжем двигатель. Для справки, можно посмотреть и на правило «правой руки». Есть и такое в электротехнике, оно тоже относится к машинам постоянного тока, но в части генерации энергии.

Само вращение вала происходит следующим образом. Внутри магнитного поля расположен ротор с валом, на котором катушка. Она при подаче тока индуцирует магнитное поле. Магниты разными полюсами притягиваются, а одинаковыми отталкиваются. Внешние магниты «отталкивают» заработавшие электромагниты ротора, заставляя их всё время «отталкиваться» пока есть ток, что и приводит к вращению вала.

Это – принцип действия двигателя постоянного тока, всё остальное детали и технические подробности.

Особенности устройства двигателя постоянного тока

Конечно, в теории принцип работы машины постоянного тока ясен, но пытливый читатель немедленно спросит – а как начнёт вращаться ротор, если он внутри двухполюсного магнита? Такой вопрос неизбежен и для ответа не него придётся внимательнее рассмотреть устройство двигателя постоянного тока. Кстати некоторые знания будут полезны и для понимания работы двигателей переменного тока.

Начнём с перечня трудностей, с которыми столкнулись первые создатели ДПТ.

1. Наличие двух мёртвых точек , из которых самостоятельный пуск невозможен. (Те самые два полюса магнитов).
2. Слишком слабое магнитное отталкивание при слабом токе. Или сильное сопротивление вращения, не позволяющее пуск.
3. Остановка ротора после одного оборота. Не вращение, а качания туда-сюда, ведь пройдя половину окружности «магнит» ротора не отталкивался, а притягивался, то есть не разгонял вращение, а тормозил его.

Оставались материалы и немного мелочей, вроде реализации принципа обратимой электрической машины.

Первыми победили «мёртвые точки», применив не два, а три и больше магнитов. Три зубца на роторе исключают мёртвые точки, один всегда в магнитном поле и пуск двигателя стал возможен из любого положения ротора.

Преодолеть проблему разгона-торможения смогли, применив принцип работы машины постоянного тока – простоту переключения между плюсом и минусом при сохранении тока . Иначе говоря, первую половину оборота после пуска ротор начинает с полярностью тока: на верхней точке плюс, на нижней минус. Как только верхняя точка занимает нижнее положение, полярность точек меняется на минус – плюс, и «отталкивание - разгон» продолжается до окончания оборота, после чего цикл повторяется, а торможение исключено. Такой механизм назвали коллектор . Те самые щётки электродвигателя, которые обеспечивают передачу тока с неподвижного контакта на вращающийся вал. Да ещё и какую передачу! Со сменой знака на роторе 2 раза за один оборот. Посчитайте, сколько приходится трудиться коллектору, если у двигателя 2000 оборотов в минуту.

Коллектор - самая сложная деталь, если рассматривать устройство двигателя постоянного тока, поскольку позволяет обратное преобразование вращения в ток. Основной расходный элемент – щетки. Купив новый прибор с электродвигателем, убедитесь, что есть запасные. Не поленитесь, пока прибор новый, купите ещё пару комплектов.

Сложность коллектора позволяет визуально определить его состояние и правильность работы по искрению. Совсем плохо, когда искры (а коллектор не что иное, как контактный переключатель) образуют кольцо – «круговой огонь». Это значит, что двигатель долго не протянет. Пока борьба с искрением идёт с переменным успехом, совсем победить его не получается, но продлить сроки службы ДПТ удалось.

Если Вам показалось, что мы забыли про слабые токи при пуске, рассмотрев сразу третью проблему, то Вы ошибаетесь. Проблема пуска оказалась настолько сложной, что её мы рассмотрим отдельно.

Пусковые токи двигателей постоянного тока

Итак, принцип действия двигателя постоянного тока понятен, самозапуск мы обеспечили, ликвидировали секторальное торможение на обратных магнитных полюсах, осталось его включить. Но вот беда. Ротор всё равно не вращается, хотя всё исправно. Дело в том, что пока мы наш двигатель дорабатывали, ротор стал тяжелее, на нём маховики и всё такое, и тока просто недостаточно, чтобы магниты смогли «провернуть» ротор. «Какого чёрта каналья!» (с) воскликнет пытливый экспериментатор и просто увеличит ток. И знаете, двигатель и правда закрутится. При нескольких если :

• Если не сгорят обмотки (провода в катушке);
• Если бросок тока выдержит ;
• Если на коллекторе при таком пуске не произойдёт приваривания секторов переключения и т.д.

Поэтому простое повышение пускового тока быстро было признано неправильным решением. Кстати, мы пока не упомянули главное преимущество ДПТ перед двигателями переменного тока - это прямая передача момента вращения, с момента пуска . Проще говоря, с момента начала вращения вал ДПТ может «проворачивать» что угодно, преодолевая значительное сопротивление, что не под силу движкам переменных токов.

Это преимущество и стало ахиллесовой пятой ДПТ. Сам принцип работы машины постоянного тока вроде не позволял произвольно менять пусковой ток с одной стороны. С другой стороны, попытки дать большой ток для старта и снизить его после пуска, потребовали автоматики. Первоначально использовали пускачи и стартёры, особенно для ДПТ большой мощности, но это была тупиковая ветка развития. Отказ от плавной регулировки пускового тока позволил и тут найти разумный компромисс. Фактически сейчас это выглядит как пуск двигателя вроде разгона автомобиля. Мы начинаем движение на 1-й передаче, потом включаем 2-ю, 3.-ю и вот уже мчимся по шоссе на 4-й скорости. Только в данном случае «передачи», то есть токи, переключает автомат стартёр . Вся эта электротехника решает одновременно две задачи – плавный пуск ДПТ без перегрузок и сохранение в целости и сохранности энергосети (источника питания двигателя). Как и принцип действия двигателя постоянного тока, эта автоматика построена на основе прямого преобразования. Плавно ток поднимается до пускового значения, как баланс входного тока и токов на обмотках до начала вращения. После начала вращения сила тока резко снижается и снова нарастает «подгоняя вращение вала», и так ещё 2-3 раза.

Таким образом, пуск перестал быть «плавным», но стал безопасным для всех. Самое главное, что удалось сохранить при такой схеме, а сегодня она наиболее распространена, главное преимущество – крутящий момент . При этом устройство надёжного двигателя постоянного тока стало проще, мощности возросли, а пусковые токи, хотя и остаются головной болью этого класса двигателей, перестали быть критичными для механизмов.

Сферы применения двигателей постоянного тока

ДПТ, как и машины постоянного тока, устройство и принцип действия которых мы рассматривали, применяются там, где нецелесообразно использовать постоянное подключение к сетям (хороший пример – стартёр автомобиля, который и есть ДПТ), где такое подключение невозможно (например, игрушки с моторчиками для детей), или где даже такого подключения недостаточно. Например, ЖД транспорт, который вроде и подключен к сетям переменного тока, но необходимые крутящие моменты таковы, что использовать можно только двигатели постоянного тока, принципы, действия которых не изменились. И на самом деле в последнее время сфера применения не сокращается, а только увеличивается. Чем больше ёмкость аккумулятора, тем дольше будет работать такой двигатель автономно. Чем меньше габариты, тем больше будет выигрыш по мощности.

Экономичность – это дело будущего, пока особенно экономить нечего и вопрос не ставился, переменные движки будут попроще. Но вытеснить ДПТ не смогут. Такие вот они – ДПТ, или машины постоянного тока, устройство и принцип действия которых мы изучали в 6-8 классе, но давно про это забыли.