Электродвигатель постоянного тока: принцип работы и действия, устройство, характеристики

Сейчас невозможно представить нашу жизнь без электродвигателей. Они приводят в действие станки, бытовую технику и инструменты, поезда, трамваи и троллейбусы, компьютеры, игрушки и разные подвижные механизмы, устанавливаются на производственных станках, если частоту вращения рабочего вала требуется регулировать в широком диапазоне. Агрегаты для преобразования электрической энергии в механическую представлены множеством видов и моделей (синхронные, асинхронные, коллекторные и т.д.). Из этой статьи вы узнаете, что такое электродвигатель постоянного тока, его устройство и принцип действия.

Краткая история создания

Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается. Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б.С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом. Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

На мысль о создании двигателя ученых натолкнуто следующее открытие. Помещенная в магнитное поле проволочная рамка с пропущенным по ней током начинает вращаться, создавая механическую энергию. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю. Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока.

Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается.

Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах).

Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников. Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно. Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее).

Устройство электродвигателя постоянного тока

Теперь, когда вы знаете, как работает электродвигатель постоянного тока, пора ознакомиться с его конструкцией.

Как и у других моделей, основу двигателя составляют статор (индуктор) – неподвижная часть, и якорь вкупе с щеточноколлекторным узлом – подвижная часть. Обе части разделены воздушным зазором.

В состав статора входят станина, являющаяся элементом магнитной цепи, а также главные и добавочные полюса. Обмотки возбуждения, необходимые для создания магнитного поля, находятся на главных полюсах. Специальная обмотка, улучшающая условия коммутации, расположена на добавочных полюсах.

Якорь представляет собой узел, состоящий из магнитной системы (она собрана из нескольких листов), набора обмоток (проводников), уложенных в пазы, и коллектора, который подводит постоянный ток к рабочей обмотке.

Коллектор имеет вид цилиндра, собранного из изолированных медных пластин. Он насажен на вал двигателя и имеет выступы, к которым подходят концы секций обмотки якоря. Щетки снимают ток с коллектора, входя с ним в скользящий контакт. Удержание щеток в нужном положении и обеспечение их нажатия на коллектор с определенной силой осуществляется щеткодержателями.

Многие модели двигателей оснащены вентилятором, задача которого – охлаждение агрегата и увеличение продолжительности рабочего периода.

Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока позволяют широко использовать это устройство в самых разных сферах – от бытовых приборов до транспорта. К его преимуществам можно отнести:

• Экологичность. При работе не выделяются вредные вещества и отходы.
• Надежность. Благодаря довольно простой конструкции он редко ломается и служит долго.
• Универсальность. Он может использоваться в качестве как двигателя, так и генератора.
• Простота управления.
• Возможность регулирования частоты и скорости вращения вала – достаточно подключить агрегат в цепь переменного сопротивления.
• Легкость запуска.
• Небольшие размеры.
• Возможность менять направление вращения вала. В двигателе с последовательным возбуждением нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения, во всех остальных типах – в якоре.

Как и любое устройство, электродвигатели постоянного тока имеют и «слабые стороны»:

• Их себестоимость, следовательно, и цена достаточно высока.
• Для подключения к сети необходим выпрямитель тока.
• Самая уязвимая и быстроизнашивающаяся деталь – щетки – требует периодической замены.
• При сильной перегрузке может случиться возгорание. Если соблюдать правила эксплуатации, такая возможность исключена.

Но, как видите, достоинства явно перевешивают, поэтому на данный момент электродвигатель является одним из наиболее экономичных и эффективных устройств. Зная устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, вы сможете самостоятельно собрать и разобрать его для техосмотра, чистки или устранения неисправностей.

Двигатели постоянного тока — Устройство, принцип действия электродвигателя

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.

принцип действия. Двигатель постоянного тока: устройство

Первой из всех изобретенных в 19 веке вращающихся электромашин является двигатель постоянного тока. Принцип действия его известен с середины прошлого столетия, и до настоящего времени двигатели постоянного тока (ДПТ) продолжают верно служить человеку, приводя в движение множество полезных машин и механизмов.

Первые ДПТ

Начиная с 30-х годов 19 века в своем развитии они прошли несколько этапов. Дело в том, что до появления в конце позапрошлого века машинных генераторов переменного тока единственным источником электроэнергии был гальванический элемент. Поэтому все первые электродвигатели могли работать только на постоянном токе.

Каким же был первый двигатель постоянного тока? Принцип действия и устройство двигателей, строившихся в первой половине 19 века, являлся следующим. Явнополюсный индуктор представлял собой набор неподвижных постоянных магнитов или стержневых электромагнитов, не имевших общего замкнутого магнитопровода. Явнополюсный якорь образовывали несколько отдельных стержневых электромагнитов на общей оси, приводимых во вращение силами отталкивания и притяжения к полюсам индуктора. Типичными их представителями являлись двигатели У. Риччи (1833) и Б. Якоби (1834), оснащенные механическими коммутаторами тока в электромагнитах якорях с подвижными контактами в цепи обмотки якоря.

Как работал двигатель Якоби

Каков же был у этой машины принцип действия? Двигатель постоянного тока Якоби и его аналоги обладали пульсирующим электромагнитным моментом. В течение времени сближения разноименных полюсов якоря и индуктора под действием магнитной силы притяжения момент двигателя быстро достигал максимума. Затем, при расположении полюсов якоря напротив полюсов индуктора, механический коммутатор прерывал ток в электромагнитах якоря. Момент падал до нуля. За счет инерции якоря и приводимого в движение механизма полюсы якоря выходили из-под полюсов индуктора, в этот момент в них от коммутатора подавался ток противоположного направления, их полярность также менялась на противоположную, а сила притяжения к ближайшему полюсу индуктора сменялась на силу отталкивания. Таким образом, двигатель Якоби вращался последовательными толчками.

Появляется кольцевой якорь

В стержневых электромагнитах якоря двигателя Якоби ток периодически выключался, создаваемое ими магнитное поле исчезало, а его энергия преобразовывалась в тепловые потери в обмотках. Таким образом, электромеханическое преобразование электроэнергии источника тока якоря (гальванического элемента) в механическую происходило в нем с перерывами. Нужен был двигатель с непрерывной замкнутой обмоткой, ток в которой протекал бы постоянно в течение всего времени его работы.

И такой fuhtufn был создан в 1860 году А. Пачинотти. Чем же отличался от предшественников его двигатель постоянного тока? Принцип действия и устройство двигателя Пачинотти следующие. В качестве якоря он использовал стальное кольцо со спицами, закрепленное на вертикальном валу. При этом якорь не имел явно выраженных полюсов. Он стал неявнополюсным.

Между спицами кольца были намотаны катушки обмотки якоря, концы которых соединялись последовательно на самом якоре, а от точек соединения каждых двух катушек были сделаны отпайки, присоединенные к пластинам коллектора, расположенным вдоль окружности внизу вала двигателя, число которых равнялось числу катушек. Вся обмотка якоря была замкнута сама на себя, а последовательные точки соединения ее катушек присоединялись к соседним пластинам коллектора, по которым скользила пара токоподводящих роликов.

Кольцевой якорь был помещен между полюсами двух неподвижных электромагнитов индуктора-статора, так что силовые линии создаваемого ими магнитного поля возбуждения входили в наружную цилиндрическую поверхность якоря двигателя под северным полюсом возбуждения, проходили по кольцевому якорю, не перемещаясь во внутреннее его отверстие, и выходили наружу под южным полюсом.

Как работал двигатель Пачинотти

Какой же у него был принцип действия? Двигатель постоянного тока Пачинотти работал точно так же, как и современные ДПТ.

В магнитном поле полюса индуктора с данной полярностью всегда находилось определенное число проводников обмотки якоря с током неизменного направления, причем направление тока якоря под разными полюсами индуктора было противоположным. Это достигалось размещением токоподводящих роликов, играющих роль щеток, в пространстве между полюсами индуктора. Поэтому мгновенный ток якоря втекал в обмотку через ролик, пластину коллектора и присоединенную к ней отпайку, которая также находилась в пространстве между полюсами, далее протекал в противоположных направлениях по двум полуобмоткам-ветвям, и наконец вытекал через отпайку, пластину коллектора и ролик в другом межполюсном промежутке. При этом сами катушки якоря под полюсами индуктора менялись, но направление тока в них оставалось неизменным.

По закону Ампера, на каждый проводник катушки якоря с током, находящийся в магнитном поле полюса индуктора, действовала сила, направление которой определяется по известному правилу «левой руки». Относительно оси двигателя эта сила создавала вращающий момент, а сумма моментов от всех таких сил дает суммарный момент ДПТ, который уже при нескольких пластинах коллектора является почти постоянным.

ДПТ с кольцевым якорем и граммовской обмоткой

Как это часто случалось в истории науки и техники, изобретение А. Пачинотти не нашло применения. Оно было на 10 лет забыто, пока в 1870 году его независимо не повторил франко-немецкий изобретатель З. Грамм в аналогичной конструкции генератора постоянного тока. В этих машинах ось вращения уже была горизонтальной, использовались угольные щетки, скользящие по пластинам коллектора почти современной конструкции. К 70-м годам 19 века принцип обратимости электромашин стал уже хорошо известен, а машина Грамма использовалась как генератор и двигатель постоянного тока. Принцип действия его уже описан выше.

Несмотря на то, что изобретение кольцевого якоря было важным шагом в развитии ДПТ, его обмотка (названная граммовской) имела существенный недостаток. В магнитном поле полюсов индуктора находились только те ее проводники (называемые активными), которые лежали под этими полюсами на наружной цилиндрической поверхности якоря. Именно к ним были приложены магнитные силы Ампера, создающие вращающий момент относительно оси двигателя. Те же неактивные проводники, что проходили через отверстие кольцевого якоря, не участвовали в создании момента. Они только бесполезно рассеивали электроэнергию в виде тепловых потерь.

От кольцевого якоря к барабанному

Устранить этот недостаток кольцевого якоря удалось в 1873 году известному немецкому электротехнику Ф. Гефнер-Альтенеку. Как же функционировал его двигатель постоянного тока? Принцип действия, устройство его индуктора-статора такие же, как у двигателя с кольцевой обмоткой. А вот конструкция якоря и его обмотка изменились.

Гефнер-Альтенек обратил внимание, что направление тока якоря, вытекающего из неподвижных щеток, в проводниках граммовской обмотки под соседними полюсами возбуждения всегда противоположно, т.е. их можно включить в состав витков расположенной на наружной цилиндрической поверхности катушки с шириной (шагом), равным полюсному делению (части окружности якоря, приходящейся на один полюс возбуждения).

В этом случае становится ненужным отверстие в кольцевом якоря, и он превращается в сплошной цилиндр (барабан). Такая обмотка и сам якорь получили наименование барабанных. Расход меди в ней при одинаковом числе активных проводников гораздо меньше, чем в граммовской обмотке.

Якорь становится зубчатым

В машинах Грамма и Гефнер-Альтенека поверхность якоря была гладкой, а проводники его обмотки располагались в зазоре между ним и полюсами индуктора. При этом расстояние между вогнутой цилиндрической поверхностью полюса возбуждения и выпуклой поверхностью якоря достигало нескольких миллиметров. Поэтому для создания нужной величины магнитного поля требовалось применять катушки возбуждения с большой магнитодвижущей силой (с большим числом витков). Это существенно увеличивало габариты и вес двигателей. Кроме того, на гладкой поверхности якоря его катушки было трудно крепить. Но как же быть? Ведь для действия на проводник с током силы Ампера он должен находиться в точках пространства с большой величиной магнитного поля (с большой магнитной индукцией).

Оказалось, что это не является необходимым. Американский изобретатель пулемета Х. Максим показал, что если выполнить барабанный якорь зубчатым, а в образовавшиеся между зубцами пазы поместить катушки барабанной обмотки, то зазор между ним и полюсами возбуждения можно уменьшить до долей миллиметра. Это позволило существенно уменьшить размеры катушек возбуждения, но вращающий момент ДПТ нисколько не уменьшился.

Как же функционирует такой двигатель постоянного тока? Принцип действия основан на том обстоятельстве, что при зубчатом якоре магнитная сила приложена не к проводникам в его пазах (магнитное поле в них практически отсутствует), а к самим зубцам. При этом наличие тока в проводнике в пазу имеет решающее значение для возникновения этой силы.

Как избавились от вихревых токов

Еще одно важнейшее усовершенствование внес знаменитый изобретатель Т. Эдиссон. Что же добавил он в двигатель постоянного тока? Принцип действия остался неизменным, а вот материал, из которого сделан его якорь, изменился. Вместо прежнего массивного он стал шихтованным из тонких электрически изолированных друг от друга стальных листов. Это позволило уменьшить величину вихревых токов (токов Фуко) в якоре, что увеличило КПД двигателя.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Кратко его можно сформулировать так: при подключении обмотки якоря возбужденного двигателя к источнику питания в ней возникает большой ток, называемый пусковым и превышающий в несколько раз его номинальное значение. Причем под полюсами возбуждения противоположной полярности направление токов в проводниках обмотки якоря так же противоположно, как показано на рисунке ниже. Согласно правилу «левой руки», на эти проводники действуют силы Ампера, направленные против часовой стрелки и увлекающие якорь во вращение. При этом в проводниках обмотки якоря наводится электродвижущая сила (противо-ЭДС), направленная встречно напряжению источника питания. По мере разгона якоря растет и противо-ЭДС в его обмотке. Соответственно, ток якоря уменьшается от пускового до величины, соответствующей рабочей точке на характеристике двигателя.

Чтобы повысить скорость вращения якоря, нужно либо увеличить ток в его обмотке, либо снизить противо-ЭДС в ней. Последнего можно добиться, уменьшив величину магнитного поля возбуждения путем снижения тока в обмотке возбуждения. Данный способ управления скоростью ДПТ получил широкое распространение.

Принцип действия двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

С присоединением выводов обмотки возбуждения (ОВ) к отдельному источнику электропитания (независимая ОВ) обычно выполняются мощные ДПТ, чтобы было более удобно регулировать величину тока возбуждения (с целью изменения скорости вращения). По своим свойствам ДПТ с независимой ОВ практически аналогичны ДПТ с ОВ, параллельно подключаемой к обмотке якоря.

Параллельное возбуждение ДПТ

Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения определяется его механической характеристикой, т.е. зависимостью скорости вращения от нагрузочного момента на его валу. Для такого двигателя изменение скорости при переходе от холостого вращения к номинальному моменту нагрузки составляет от 2 до 10%. Такие механические характеристики называются жесткими.

Таким образом, принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением обуславливает его применение в приводах с постоянной скоростью вращения при большом диапазоне изменения нагрузки. Однако он широко используется и в регулируемом электроприводе с переменной скоростью вращения. При этом для регулирования его скорости может применяться изменение как тока якоря, так и тока возбуждения.

Последовательное возбуждение ДПТ

Принцип действия двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, как и параллельного, определяется его механической характеристикой, которая в этом случае является мягкой, т.к. частота вращения двигателя значительно варьируется при изменениях нагрузки. Где же выгоднее всего применять такой двигатель постоянного тока? Принцип действия жд тягового двигателя, скорость которого должна уменьшаться при преодолении составом подъемов и возвращаться к номинальной при движении по равнине, полностью соответствует характеристикам ДПТ с ОВ, последовательно соединенной с обмоткой якоря. Поэтому значительная часть электровозов во всем мире оснащена такими устройствами.

Принцип действия двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением реализуют также тяговые двигатели пульсирующего тока, которые представляют собой, по сути, те же ДПТ с последовательной ОВ, но специально сконструированные для работы с выпрямленным уже на борту электровоза током, имеющим значительные пульсации.

Двигатель постоянного тока: принцип работы, общее устройство

В тех приводах, где необходим широкий диапазон регулировки скоростей используется электрический двигатель постоянного тока. Он позволяет с высокой точностью поддерживать скорость вращения и осуществлять необходимые регулировки.

Устройство электродвигателей постоянного тока

В основе работы данного вида двигателей лежит электромагнитная индукция. Если проводник, по которому протекает электрический ток, поместить в магнитное поле, то, согласно правила левой руки, на него будет воздействовать определенная сила.

Когда проводник пересекает магнитные силовые линии, в нем производится наведение электродвижущей силы, направленной в сторону, противоположную движению тока. В результате, получается обратное противодействие. Происходит преобразование электрической мощности в механическую с одновременным нагреванием проводника.

Вся конструкция устройства состоит из якоря и индуктора, между которыми находится воздушный зазор. Индуктор создает неподвижное магнитное поле и включает в себя полюса главные и добавочные, закрепляемые на станине. Обмотки возбуждения располагаются на главных полюсах и создают магнитное поле. Добавочные полюса содержат специальную обмотку, улучшающую условия коммутации.

В состав якоря входит магнитная система. Ее основными элементами являются рабочая обмотка, укладываемая в пазы, отдельные металлические листы и коллектор, с помощью которого к рабочей обмотке подводится постоянный ток.

Коллектор изготавливается в виде цилиндра и насаживается на вал электродвигателя. К его выступам припаиваются концы якорной обмотки. Электрический ток снимается с коллектора при помощи щеток, закрепленных в специальных держателях и зафиксированных в определенном положении.

Основные процессы: пуск и торможение

Каждый двигатель постоянного тока осуществляет два основных процесса пуск и торможение. В самом начале пуска якорь находится в неподвижном состоянии, напряжение и сила, противоположная ЭДС, равны нулю. При незначительном сопротивлении якоря, значение пускового тока превышает номинальное, примерно в 10 раз. Во избежание перегрева обмотки якоря при пуске, применяются специальные пусковые реостаты. При мощности двигателей до 1-го киловатта, осуществляется прямой запуск.

В электродвигателях постоянного тока применяется несколько способов торможения. При динамическом торможении обмотка якоря замыкается коротко, либо с помощью резисторов. Этот способ обеспечивает наиболее точную остановку. Рекуперактивное торможение является наиболее экономичным. Здесь происходит изменение направления ЭДС на противоположное.

Торможение противовключением производится изменением полярности тока и напряжения в якорной обмотке, что позволяет создать эффективный тормозящий момент.

Как работает двигатель постоянного тока

Принцип Действия Двигателя Постоянного Тока: Что Нужно Знать

Мощный двигатель постоянного тока

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.

Немного истории и теории

Первые электрические двигатели

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.

Б.С. Якоби

• 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.

Лодка с лопастными колесами

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.

Работа шунтового генератора

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

Двигатели постоянного тока и принцип действия: вспоминаем школьные уроки физики

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.

Занимательная физика

• 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

Двигатель постоянного тока и устройство

Давайте теперь более подробно разберем, как устроен двигатель постоянного тока, какие в нем имеются детали и как они взаимодействуют друг с другом.

Продолжение теории

Принцип и устройство двигателя постоянного тока

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

Каково устройство электродвигателя 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.

Принцип действия и устройство двигателя постоянного тока: статор

• 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.

Якорь двигателя постоянного тока

• 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.

Вид коллектора

• 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.

Графитовые щетки

• Щетки соединены медными проводами с питающей сетью. Дальше начинается внешняя схема электропитания и управления, о которой мы поговорим немного позже.

Валовый подшипник качения

• 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

Перфоратор в разрезе: такие двигатели универсальны и могут работать как от постоянного, так и от переменного тока, но только при соответствующем подключении

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.

Все гениальное просто

• 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.

Работа коллектора

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

Бесщеточный двигатель постоянного тока

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.

Контактные кольца в простейшем генераторе переменного тока

• 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

Принципиальная электрическая схема управления электродвигателями постоянного тока с реверсом

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.

Система управления может быть по-настоящему сложной

• 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.

Схемы управления двигателем на базе интегральной микросхемы LM317

• 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.

Компактный стабилизатор

• 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!