Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) представляют собой механизм, преобразующий поступающую на него электрическую энергию в механическое вращение. Работа агрегата базируется на явлении электромагнитной индукции — на проводник, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера: F = B*I*L, где L — длина проводника, I — ток, протекающий по проводнику, B — индукция магнитного поля. Данная сила обуславливает возникновение крутящего момента, который может быть использован для неких практических целей.
Электродвигатели постоянного тока обладают следующими преимуществами:
- Простота и надежность конструкции.
- Практически линейные регулировочные и механические характеристики, благодаря чему обеспечивается удобство эксплуатации.
- Большая величина пускового момента.
- Компактные размеры (особенно сильно выражено у двигателей на постоянных магнитах).
- Возможность использования одного и того же механизма как в режиме двигателя, так и генератора.
- КПД при полной нагрузке, как правило, выше на 1-2 % чем у асинхронных и синхронных машин, а при неполной нагрузке преимущество может возрастать до 15 %.
Основным недостатком данных устройств является высокая цена их изготовления. Также стоит отметить необходимость регулярного обслуживания коллекторно-щеточного узла и определенное ограничение срока эксплуатации, вызванные его износом, однако на современных моделях эти недостатки практически полностью нивелированы.
Стоит отметить, что механическая характеристика, а значит, и все эксплуатационные показатели во многом зависят от схемы подключения обмотки возбуждения. Всего их четыре:
Рисунок 1. Асинхронные электродвигатели серии АИРЕ с рабочим конденсатором Способы возбуждения: а — независимое, б — параллельное, в — последовательное, г — смешанное.
Области применения ДПТ
Несмотря на то, что подавляющее большинство электрических сетей обеспечивают переменное напряжение, электродвигатели постоянного тока используются весьма и весьма широко. Собственно говоря, все промышленные приводы, где требуется точная регулировка частоты вращения, реализованы именно на базе ДПТ. Кроме того, электрические машины на постоянных магнитах благодаря своей эффективности и большой плотности мощности широко используются в оборонительной отрасли.
Впрочем, не стоит думать, что вы не сталкивались вживую с данными механизмами. Отсутствие жестких ограничений по размерам приводит к тому, что мы зачастую их не замечаем. Например, в автомобилестроении используются только электродвигатели постоянного тока, причем, несмотря на различие в мощности, на всем грузовом транспорте и спецтехнике они запитаны от 24 вольт, в то время как на легковых автомобилях их рабочее напряжение составляет 12 вольт. Получая энергию от аккумуляторной батареи или генератора, они отвечают за позиционирование сидений, управление зеркалами, поднятие и опускание стекол, а также поддержание в салоне заданной температуры.
Впрочем, электродвигатели постоянного тока могут и сами приводить в движение транспортные средства, и это далеко не только игрушечные автомобили-аттракционы с 12-вольтным аккумулятором. Для того чтобы ощутить, насколько мощными могут быть эти устройства, достаточно оказаться вблизи проходящей мимо пригородной электрички, а мягкость и точность регулировки оборотов наглядно демонстрирует плавный разгон троллейбусов.
Данные электродвигатели широко применяются как в электрическом транспорте (метро, троллейбус, трамвай, пригородные электрические железные дороги, электровозы), так и в подъемных устройствах (электрические подъемные краны).
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.
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:
- Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
- 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:
- игрушках;
- сервомеханических устройствах;
- приводах клапанов;
- роботах;
- 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.
Тема нашей сегодняшней статьи — принцип действия электродвигателя постоянного тока. Если вы бываете на нашем сайте, то наверняка уже знаете, что эту тему мы решили раскрыть более полно и понемногу разбираем все разновидности электромотором и электрогенераторов.
Постоянный ток известен человечеству вот уже где-то 200 лет, эффективно применять его научились немного позже, а вот сегодня трудно себе представить деятельность человека, где бы энергия не применялась. Приблизительно таким же образом происходила и эволюция электрических двигателей.
Бурное развитие электротехники не прекращается с момента зарождения этого направления в физике. Первыми разработками, связанными с электрическими моторами, были работы многих ученых в 20-х годах 19-го столетия. Изобретали всяких мастей пытались соорудить механические машины, способные превращать электрическую энергию в кинетическую.
- Особую значимость имеют исследования М. Фарадея, который в 1821 году, проводя эксперименты по взаимодействию тока и разных проводников, выяснил, что проводник может вращаться внутри магнитного поля, ровно как вокруг проводника может вращаться и магнит.
- Второй этап развития занял более значительный отрезок времени от 1830-х до 1860-х годов. Теперь, кода основные принципы преобразования энергии человеку были известны, он пытался создать наиболее эффективную конструкцию двигателя с вращающимся якорем.
- В 1833 году американский изобретатель и по совместительству кузнец Томас Девенпорт смог построить первый роторный двигатель, работающий на постоянном токе, и сконструировать модель поезда, приводимую им в движение. На свою электрическую машину он получил патент спустя 4 года.
- В 1834 году Борис Семенович Якоби, русско-немецкий физик и изобретатель, создает первый в мире электродвигатель постоянного тока, в котором смог таки реализовать основной принцип работы таких машин, применяемый и сегодня – с постоянно вращающейся частью.
- В 1838 году, 13 сентября был произведен пуск настоящей лодки по Неве с 12-ю пассажирами на борту – так происходили полевые испытания двигателя Якоби. Лодка двигалась со скоростью 3 км\ч против течения. Привод двигателя был соединен с лопастными колесами по бокам, как на пароходах того времени. Электрический ток подавался к агрегату от батареи содержащей 320 гальванических элементов.
Результатом проведенных испытаний стала возможность формирования основных принципов дальнейшего развития электромоторов:
- Во-первых , стало ясно, что расширение сферы их применения напрямую зависит от удешевления способов получения электрической энергии – требовался надежный и недорогой генератор, а не дорогостоящие на тот момент гальванические батареи.
- Во-вторых , требовалось создать достаточно компактные двигатели, которые бы, однако, обладали большим коэффициентом полезного действия.
- И в третьих – были очевидны преимущества двигателей с вращающимися неоднополюсными якорями, с постоянным вращающимся моментом.
Затем наступает третий этап развития электромоторов, который ознаменован открытием явления самовозбуждения двигателя электрического тока, после чего был сформирован принцип обратимости таких машин, то есть двигатель может быть генератором, и наоборот. Теперь для того чтобы запитать двигатель начали применять недорогие генераторы тока, что в принципе делается и сегодня.
Интересно знать! Любая электрическая сеть подключена к электростанции, вырабатывающей ток. Сама станция, по сути, и есть набор мощнейших генераторов, приводимых в движение разными способами: течение реки, энергия ветра, ядерные реакции и прочее. Исключение составляют, разве что, фотоэлементы в солнечных батареях, но это уже другая, дорогая, пока не нашедшая достаточного распространения история.
Вид современной конструкции электродвигатель приобрел в далеком 1886 году, после чего в него вносились только доработки и усовершенствования.
Основные принципы функционирования
В основу любого электрического двигателя положен принцип магнитного притягивания и отталкивания. В качестве эксперимента можете провести такой простейший опыт.
- Внутрь магнитного поля нужно поместить проводник, по которому нужно пропустить электрический ток.
- Для этого удобнее всего пользоваться магнитом в форме подковы, а в качестве проводника подойдет медная проволока подключенная концами к батарейке.
- В результате опыта вы увидите, что проволоку вытолкнет из области действия постоянного магнита. Почему это происходит?
- Дело в том, что при прохождении тока через проводник, вокруг последнего создается электромагнитное поле, которое вступает во взаимодействие с уже имеющимся, от постоянного магнита. Как результат этого взаимодействия, мы видим механическое движение проводника.
- Если говорить более подробно, то выглядит это так. Когда круговое поле проводника вступает во взаимодействие с постоянным от магнита, то сила магнитного поля с одной стороны возрастает, а с другой уменьшается, из-за чего провод выталкивает из области действия магнита под углом 90 градусов.
- Направление, в котором вытолкнет проводник можно установить по правилу левой руки, которое применимо только к электродвигателям. Правило гласит следующее – левую руку нужно поместить в магнитное поле так, чтобы его силовые линии входили в нее с ладони, а 4 пальца были направлены по ходу движения положительных зарядов, тогда отведенный в сторону большой палец покажет направление воздействующей на проводник движущей силы.
Эти простые принципы двигателя постоянного тока применяется и поныне. Однако в современных агрегатах вместо постоянных магнитов применяют электрические, а рамки заменяют сложные системы обмоток.
Строение двигателя
Давайте теперь более подробно разберем, как устроен двигатель постоянного тока, какие в нем имеются детали и как они взаимодействуют друг с другом.
Продолжение теории
Сконструировать простейший двигатель постоянного тока вы легко сможете своими руками. Инструкция такова, что достаточно соорудить прямоугольную рамку из проводника, способную вращаться вокруг центральной оси.
- Рамка помещается в магнитное поле, после чего на ее концы подается постоянное напряжение, от той же батарейки.
- Так только по рамке начинает течь ток, она приходит в движение, пока не займет горизонтальное положение, называемое нейтральным или «мертвым», когда воздействие поля на проводник равно нулю.
- По идее, рамка должна остановиться, но этого не произойдет, так как она пройдет «мертвую» точку по инерции, а значит, электродвижущие силы снова начнут возрастать. Но из-за того, что ток теперь течет в обратном направлении относительно магнитного поля, будет наблюдать сильный эффект торможения, что несопоставимо с нормальной работой двигателя.
- Чтобы процесс протекал нормально нужно предусмотреть такую конструкцию подключения рамки к питанию, при которой в момент прохождения тока через нулевую точку будет происходить переключение полюсов, а значит, относительно магнитного поля ток потечет в прежнем направлении.
В качестве такого устройства применяется коллектор, состоящий их изолированных пластин, но давайте поговорим о нем чуть позже.
В виде альтернативы можно изготовить такую рамку, что показана на фото выше. Ее отличие в том, что по двум контурам рамки ток протекает в одном направлении, что позволяет избавиться от коллектора, однако такой электромотор крайне неэффективен, из-за постоянно воздействующих тормозящих сил.
Получив вращение ротора, к нему можно приладить привод и дать сопоставимую мощности двигателя нагрузку, получая тем самым работающую модель.
Строение электромотора постоянного тока
Итак, переходим к строению двигателей:
- Статор или индуктор – неподвижная часть двигателя, представляющая собой деталь, создающую постоянное электромагнитное поле. Состоит статор из сердечника, выполненного из тонколистовой стали (из пластин определенного профиля набирается деталь нужного размера) и обмотки.
- Обмотка укладывается в пазы сердечника определенным образом, формируя основные и добавочные магнитные полюса, естественно, при включении в сеть.
- Обмотка возбуждения находится на главных полюсах , тогда как на добавочных она служит для улучшения коммутации – увеличивает эффективность мотора, его КПД.
- Ротор двигателя , являющийся тут якорем, тоже имеет похожее строение, но отличает его, прежде всего то, то данный узел двигателя является подвижным. Именно он заменяет вращающуюся рамку из примеров, рассмотренных выше.
- Витки обмотки якоря изолированы друг от друга и соединяются с контактными пластинами коллектора, через которые и подается питание.
- Все части ротора закреплены на металлическом валу , который является центральной осью вращения двигателя. К нему же и подключается привод, передающий крутящий момент на внешние механизмы.
- Коллектор (полосатый цилиндр, насаженный на вал) соединен с питающей сетью через щетки, которые выполняются чаще всего из графита. Вообще строение коллектора таково, что контактные пластины также изолированы, что позволяет эффективно менять направление тока в цепи, чтобы избегать торможения двигателя.
- Сами щетки имеют скользящий контакт с пластинами коллектора, и удерживаются в одном положении при помощи щеткодержателей. Поддерживать постоянное напряжение контакта (а ведь мы знаем, что щетки истираются и истончаются) помогают пружины.
- Щетки соединены медными проводами с питающей сетью . Дальше начинается внешняя схема электропитания и управления, о которой мы поговорим немного позже.
- Следом за коллектором на валу располагается подшипник качения , обеспечивающий плавное вращение. Сверху он защищен специальным полимерным кольцом, защищающим его от пыли.
Совет! Одной из частых поломок электрических двигателей, является выход из строя подшипника. Если вовремя не заменить этот небольшой элемент конструкции, то запросто можно спалить весь двигатель.
- С обратной стороны обмотки, на том же валу, располагается крыльчатка , поток воздуха от которой эффективно охлаждает двигатель.
- Следом за крыльчаткой обычно крепится привод , отличающийся параметрами, в зависимости от назначения агрегата, в котором двигатель постоянного тока установлен.
В принципе, на этом все. Как видите, конструкция достаточно проста, и что немаловажно, очень эффективна.
Особенности коллекторных двигателей
Вообще коллекторный двигатель – это действительно хорошее устройство. Такие агрегаты легчайшим образом поддаются регулировке. Повысить, опустить обороты – не проблема. Дать четкий крутящий момент или жесткую механическую характеристику – запросто.
Однако, несмотря на ряд неоспоримых преимуществ, двигатель имеет повышенную сложность сборки, относительно двигателей переменного тока с самовозбуждающимся ротором или других бесколлекторных агрегатов, а также меньшую надежность. И вся загвоздка состоит в этом самом коллекторе.
- Этот узел достаточно дорог, а цена его ремонта иной раз сопоставима с новой деталью, если вообще возможность восстановления имеется.
- Он забивается при работе токопроводящей пылью, что со временем может стать причиной выхода из строя всего двигателя.
- Коллектор искрит, создавая при этом помехи, а при высокой нагрузке так и вовсе может полыхнуть, создавая круговой огонь. В таком случае его закоротит дугой, что несовместимо с жизнью двигателя.
Выше мы уже сказали, что его задача менять направление тока в витках обмотки, а теперь хотим разобрать вопрос подробнее.
- Итак, по сути, данная часть ротора служит выпрямителем тока, то есть переменный ток становится, проходя через него, постоянным, что справедливо для генераторов, или меняет направление тока, если речь идет о двигателях.
- В случае рассмотренного выше примера с вращающейся в магнитном поле рамкой, требовался коллектор, состоящий из двух изолированных полуколец.
- Концы рамки подключаются к разным полукольцам, что не позволяет цепи накоротко замкнуться.
- Как мы помним, коллектор контактирует с щетками, которые установлены таким образом, чтобы они одновременно не контактировали друг с другом и меняли полукольца при прохождении рамкой нулевой точки.
Все предельно просто, однако такие двигатели и генераторы не могут быть нормальной мощности в силу конструктива. В результате якорь стали делать с множеством витков, чтобы активные проводники всегда находились максимально близко к полюсам магнита, ведь, вспоминая закон электромагнитной индукции, становится ясно, что именно это положение самое эффективное.
Раз увеличивается количество витков, значит, требуется разбить коллектор на большее число частей, что собственно и является причиной сложности изготовления и дороговизны этого элемента.
Альтернатива коллекторному двигателю
В электронике уже давно царит век полупроводников, что позволяет изготавливать надежные и компактные микросхемы. Так зачем же мы до сих пор пользуемся коллекторными двигателями? А действительно?
- Инженеры тоже не оставили вопрос незамеченным. В результате коллектор сменили силовые ключи, дополнительно в конструкции появились датчики, регистрирующие текущее положение ротора, чтобы система автоматически определяла момент переключения обмотки.
- Как мы помним, нет никакой разницы, двигается ли магнит относительно проводника, либо же это происходит наоборот. Поэтому якорем становится статор, а на роторе располагается постоянный магнит или простейшая обмотка, соединенная с питанием через контактные кольца, который вращать внутри конструкции намного проще.
- Строение контактных колец чем-то напоминает коллектор, однако они намного надежнее и изготавливать их в условиях производства проще.
В итоге получился новый тип двигателя, а именно бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Устройству доступны те же преимущества, что и коллекторному двигателю, но от надоедливого коллектора мы избавляется.
Однако такие двигатели применяются только в дорогих аппаратах, тогда как простая техника, например соковыжималка или тот же перфоратор будут рентабельнее в производстве, если ставить на них уже классические коллекторные модели двигателей.
Управление двигателем постоянного тока
Итак, как вы уже поняли, основной принцип работы двигателя постоянного тока заключается в инвертировании направления тока в якорной цепи, иначе бы возникало торможение, приводящее к стопорению мотора. Таким образом, реализуется вращение мотора в одну сторону, но такой режим не единственный, и двигатель можно заставить вращаться в обратном направлении.
Для этого достаточно поменять направление тока в возбуждающей обмотке, или сменить местами щетки, через которые подается питание на обмотку ротора.
Совет! Если сделать одновременно обе эти манипуляции, то с двигателем ничего не произойдет, и он продолжит вращаться в том же направлении, что и ранее.
Однако это не все моменты, которые требуется регулировать в таком двигателе. Когда вам требуется четко управлять оборотами такого агрегата, или организовать специальный режим управления оборотами, помимо тумблеров и переключателей в схему управления включаются более сложные элементы.
- При этом следует учитывать следующие недостатки коллекторных двигателей: низкий момент на малых оборотах вращения двигателя, из-за чего приборам требуется редуктор, что удорожает и усложняет конструкцию; генерация сильных помех; ну и низкая надежность коллектора, про что мы писали выше.
- Также в расчет берется то, что потребление тока и скорость вращения вала зависят и от механической нагрузки на валу.
- Итак, основной параметр, определяющий скорость вращения вала – это подаваемое напряжение на обмотку, поэтому, следуя логике, для управления этим параметром применяются устройства, регулирующие выходное напряжение.
- Такими устройствами являются регулируемые стабилизаторы напряжения. На сегодняшний день целесообразнее использовать дешевые компенсационные интегральные стабилизаторы, типа LM Схема управления с таким устройством показана на схеме выше.
- Схема довольно примитивная, но, кажется, достаточно простой, а главное эффективной и недорогой. Мы видим, что ограничение выходного напряжения регулируется дополнительным резистором, обозначенным как Rlim, расчет сопротивления которого имеется в спецификации. При этом стоит понимать, что он ухудшает характеристику всей схемы, как стабилизатора.
- Мы видим, что представлено два варианты схемы, какая из них будет показывать себя лучше? Вариант «а» выдает линейную характеристику удобного регулирования, благодаря чему очень популярен.
- Вариант «б», наоборот», характеристику имеет нелинейную. Фактическая разница будет заметна при выходе из строя переменного резистора: в первом случае мы получим максимальную скорость вращения, а во втором – наоборот, минимальную.
Не будем больше углубляться в дебри, так как статья у нас по большей части ознакомительная. Мы разобрали принципы действия двигателей постоянного тока, а это уже что-то. Если вопрос вас заинтересовал, то обязательно просмотрите следующее видео. А на этом мы прощаемся с вами! Всего хорошего!
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:
- Подача питания создает на обмотках якоря электромагнитное поле.
- Полюса электромагнитного поля отталкиваются от одноименных полюсов поля постоянного магнита.
- 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:
- Коллектора. Он представляет собой токосъемное кольцо из нескольких секций, разделенных диэлектрическим материалом, подключается к обмоткам якоря и крепится непосредственно на валу двигателя.
- 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:
- 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.
- 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).
- 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.
- 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:
- Сначала ток постепенно поднимается до пускового значения.
- После «сдвига» с места значение тока резко падает и снова плавно поднимается «подгоняя вращение вала».
- 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:
- 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.
- 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.
- 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:
- 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.
- 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.
