Не всякий электрический двигатель можно однозначно назвать способным работать от постоянного тока. Касается коллекторного типа. На нем базируются устройство, принцип работы электродвигателя постоянного тока. Статор состоит из набора обмоток, каждая работает только на ограниченной части дуги хода вала. В противном случае реализовать концепцию невозможно.

Работа коллекторного двигателя

Коллекторный двигателей используется повсеместно бытовой техникой. 90% домашних применений приходится на этот сегмент. Двигатели стиральных машин, пылесосов, электрического инструмента. Исключением, назовем холодильники, вентиляторы, ветродувки, некоторые вытяжки. Вызвано требованиями бесшумности. Каждый, кто слышал, как ездит маленькая машинка от батарейки, понимает. В ночное время слышно каждый шорох, коллекторный двигатель навел бы шороху. Попробуйте включить на одну-две секунды болгарку в шесть часов утра – поймете.

Согласно законодательству в темное время суток уровень звукового давления не превышает 30 дБ. В противном случае техника помешает спокойному сну. Шум вызван трением щеток о коллектор, ротор двигателя сравнительно тяжелый, малейшая несоосность отдается в подшипниках. Люфт есть, массивнее движущаяся часть, акустический эффект заметнее. У коллекторных двигателей предостаточно недостатков, зато могут работать от постоянного тока. Чтобы уменьшить габариты, снижают число катушек. Для однозначного задания направления вращения необходимо минимум три полюса, причем никогда не работают параллельно.

У коллекторного двигателя бытовой техники великое количество полюсов ротора. Ниже упрощенный рисунок для постоянного тока. Коллекторный двигатель работает в схожем режиме, магнитов статора больше, все электрические. Питание ведется переменным напряжением 220 вольт. Подошли к главной тайне! Нет разницы, питать коллекторный двигатель переменным, постоянным током. С точки зрения обывателя. Существуют некоторые особенности:

При питании постоянным током КПД повышается. Подводимая мощность пропорционально снижена, достигая большей эффективности использования. Обмотка статора снабжена не двумя — тремя выводами. При питании постоянным током используется часть витков. Переменный течет через всю катушку статора.
При постоянных полях исчезает эффект перемагничивания. Резко снижает нагрев электротехнической стали магнитопроводов двигателя постоянного тока. Отражается низкими требованиями к изготовлению несущей основы ротора и статора. Можно не разделять магнитопроводы на пластины с изоляцией лаком. Как бы то ни было, большинство коллекторных двигателей постоянного тока одновременно годятся и для работы с переменным. Магнитопроводы составлены пластинами электротехнической стали.
Косвенным плюсом является более высокая стабильность оборотов. Для регуляции скорости вращения на постоянном токе используется изменение амплитуды напряжения, на переменном — при помощи тиристорного ключа отсекается часть синусоиды по линии питания. Последний вариант используется стиральными машинами.
Реверс на переменном токе ведут перекоммутацией обмоток. Изменением направления включения друг относительно друга. Процедуры в стиральной машине выполняют специальные реле. В двигателях постоянного тока полюс статора заменен железным (неодимовым) магнитом. Хватает сменить полярность питания для получения реверса. Операцию можно выполнять при помощи реле или контактора. Если обмотки питаются энергией электричества, для изменения направления вращения вала применяется перекоммутация.

В коллекторном двигателе бытовой техники статор соединяется последовательно ротору. Для передачи энергии на вал используется токосъемник в виде барабана, разделенного секциями. Электродами послужат графитовые щетки с прижимными пружинами. На корпусе выводы статора и ротора разграничены, обеспечивая возможности реализации функции реверса. Среди контактов могут быть вспомогательные: три вывода датчика Холла (два тахометра), окончания термопредохранителя.

По мере кручения вала щетки постепенно переключаются на следующую секцию, полюс ротора сдвигается. Статор остается на прежнем месте. Обратите внимание, полярность меняется с удвоенной частотой сети (50 Гц), характер взаимодействия остается прежним. Одинаковые полюсы отталкиваются, разнородные притягиваются. Путем особого распределения обмотки, коммутации с коллектором обеспечивается нужное направление вращения. Проявляется независимость двигателя от типа питающего напряжения (постоянного или переменного). Некоторые особенности коллекторного оборудования, присущие только данному типу устройств читайте ниже.

По мере движения щеток по барабану возникает искра

Принцип действия

Для гашения искры применяются варисторы

Величина ЭДС вырастает до недопустимого размера, сопротивление защиты в десятки тысяч раз уменьшается, лишний ток закорачивается корпусом. Варисторы используются парно. Объединяют обе щетки через корпус коллекторного двигателя. Вилки пылесосы зачастую лишены клеммы заземление, успешно снабжаются варисторной защитой. Искра замыкается стальным корпусом, ввиду больших размеров, массы разогрев отсутствует. Смертельно опасно браться одной рукой за коллекторный двигатель с такими изысками, другой — хватать заземленные металлические конструкции (пожарные лестницы; водопроводные, канализационные, газовые трубы; шины громоотводов; оплетки антенных кабелей).

Съемные щечки на корпусе

Корпус электроинструмента снабжен съемными щечками, щетки меняются в течение считаных минут. Уберегает от необходимости разбирать прибор для технического обслуживания. Признаком износа щеток выступает сильное искрение. Оборудование поизносилось. Новые щетки при притирании сильно искрят. В случае износа наблюдается падение мощности. Дрель перестает вращать сверло, останавливается барабан стиральной машины при номинальной массе загруженного белья. Не всегда удается достать оригинальные щетки, комплектующие можно подточить до необходимых размеров шлифовальным инструментом.

Искрение оборотов, срыв

Искрение, срыв оборотов наблюдаются при загрязнении барабана. Ротор вынимается, проводится чистка подходящим средством (спиртом).

Устройство электродвигателя постоянного тока не отличается от моделей, работающих под переменным напряжением. Вышесказанное касается любого типа оборудования.

Работа электродвигателя постоянного тока

Под токосъемником простейшего двигателя две секции. Выродился барабан коллектора. Каждая контактная ламель (пластинка на валу) занимает половину оборота. Одна щетка снабжается положительным потенциалом, вторая — отрицательным, сообразно меняется направление магнитного поля полюсов. Активными в каждый момент времени являются два (в описанной выше конструкции). Статора может формироваться постоянным электрическим полем, либо металлическим магнитом. Последнее применяется детскими машинками.

Как работает электродвигатель постоянного тока. Допустим, в начальный момент времени обмотки расположены так, как показано на рисунке. В нашем примере полюсов уже не два, как обсуждали выше, — три. Минимальное число для стабильного запуска электрического двигателя постоянного тока в нужном направлении. Обмотки соединены схемой звезды, у каждой пары одна общая точка. Напряженность поля формирует два полюса отрицательных, один положительный. Постоянный магнит стоит, как показано рисунком.

Упрощенный рисунок случая постоянного тока

Каждую треть оборота происходит перераспределение поля так, что полюса сдвигаются согласно изменению напряжения питания на ламелях. На второй эпюре видим: номера обмоток сдвинулись, картина в пространстве осталась. Залог стабильности: один полюс притягивается к постоянному магниту, второй отталкивается. Если нужно получить реверс, меняется полярность подключения батарейки (аккумулятора). В результате получается два положительных полюса, один отрицательный. Вал станет двигаться против часовой стрелки.

Полагаем, принцип действия электродвигателя постоянного тока теперь понятен. Добавим, сегодня распространены двигатели вентильного типа. Многие задумались заставить поля чередоваться на статоре, ротор представлял бы постоянный магнит. В первом приближении двигатель вентильного типа. Постоянный ток подается на нужные обмотки статора через коммутируемые ключи-тиристоры. В результате создается нужное распределение поля.

Преимущества схемы в снижении количества трущихся частей, являющихся причиной необходимости обслуживания, ремонта. Тиристорный блок управления достаточно сложный. Допускается организовать коммутацию при помощи ламелей. Одновременно конструкция послужит грубым датчиком положения вала (плюс минус расстояние между контактными площадками оси вала). Вентильные двигатели не новы. Широко применяются специфическими отраслями. Помогают точно выдержать частоту вращения. В быту вентильные двигатели найти сложно. Некое подобие можно лицезреть в стиральной машине. Речь о помпе слива воды (ротор магнитный, только ток переменный).

Технические характеристики электродвигателей постоянного тока лучше, нежели при питании переменным током. Класс устройств широко применяется. Чаще электродвигатели постоянного тока используются при питании батареями различного рода. Когда нет выбора. Преимущества схемы питания позволят аккумуляторам дольше продержаться.

Обмотки статора, ротора включают последовательно, параллельно. Последнее применяется при нагруженном в исходном состоянии валу. Наблюдается резкое повышение оборотов, может привести к негативным последствиям, если ротор слишком легко идет. Упоминали о подобных тонкостях в теме конструирования двигателей своими руками.

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 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 в них оставалось неизменным.

По 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 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 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 на эти проводники действуют силы Ампера, направленные против часовой стрелки и увлекающие якорь во вращение. При этом в проводниках обмотки якоря наводится 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.

6.2. Конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока. Технические средства автоматизации и управления

6.2. Конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока

В качестве исполнительных элементов во многих устройствах автоматики: в радиоэлектронных, оптических, механических, а также и портативных аппаратах, снабжённых автономными источниками электрической энергии, широко используются электродвигатели постоянного тока. Эти двигатели имеет ряд преимуществ перед другими видами ИЭ: линейность механических характеристик (ДПТ), хорошие регулировочные свойства, большой пусковой момент, высокое быстродействие, большой диапазон по мощность различных типов ДПТ и хорошие весогабаритные показатели.

Основным недостатком этих двигателей является наличие щеточно-коллекторного устройства, ограничивающего срок службы ДПТ и удорожающего обслуживания ДТП, вносящего дополнительные потери, являющегося источником помех и практически исключающего возможность использования ДПТ в условиях агрессивных и взрывоопасных сред.

6.2.1. Конструкция ДПТ

Конструктивно ДПТ состоит из статора (неподвижной части) и ротора или якоря (вращающейся части), помещённого внутри статора. Упрощённо конструкцию машины можно пояснить с помощью рис.61.

Статор состоит из стальной станины 1, на внутренней поверхности которой расположены главные полюса, состоящие из сердечников 2 и катушек возбуждения 3. В нижней части сердечника полюса имеется полюсный наконечник 4, который обеспечивает нужное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. К станине с торцевых сторон прикреплены подшипниковые щиты (на рис. 61 не показаны), к одному из которых прикреплены щёткодержатели с металлографитовыми щётками 9.

Ротор (якорь ) ДПТ состоит из сердечника 5, обмотки якоря 6, коллектора 7 и вала 8.

Сердечник 5 представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали, с отверстием под вал двигателя и с пазами, в которых укладываются проводники обмотки якоря.

Коллектор 7 – цилиндр, набранный из медных пластин трапециевидного сечения, изолированных электрически друг от друга и от вала двигателя.

Обмотка якоря машины представляет собой замкнутую систему проводников, уложенных и укреплённых в пазах сердечника 5. Она состоит из секций (катушек), выводы которых соединены с двумя коллекторными пластинами. У микромашин обычного исполнения с одной парой полюсов на статоре обмотка якоря представляет собой простую петлевую обмотку (схема рис.62), при построении которой выводы секций обмоток присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам, а число секций обмотки и число коллекторных пластин коллектора одинаково.

Обмотка , схема которой приведена на рис. 62, содержит 4 секции, каждая из которых состоит из активных сторон 1, располагающихся в пазах сердечника и лобовых частей 2, посредством которых активные стороны секций соединяются между собой и с коллекторными пластинами. Чтобы ЭДС, наводимые в активных сторонах секций складывались, необходимо расположить активные стороны одной секции в пазах сердечника, отстоящих друг от друга на расстоянии полюсного деления t. Ротор, приведенный на рис. 6.1, имеет 8 активных проводников, причем секции образуют проводники 1 – 5, 2 – 6, 3 – 7 и 4 – 8.

6.2.2. Электромагнитный момент ДПТ

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии тока проводников обмотки якоря с магнитным полем возбуждения, в результате чего на каждый проводник обмотки якоря действует электромеханическая сила, а совокупность сил, действующих на все активные проводники обмотки, образует электромагнитный момент машины. Пусть у нас есть рамка с током, помещенная в поле постоянного магнита. Рис. 63.

На каждый проводник с током, помещенный в магнитное поле машины действует электромагнитная сила:

где l- длина активного проводника, B - индукция в данной точке воздушного зазора, i – ток в проводнике. Пусть каждая сторона рамки содержит число параллельных ветвей обмотки 2а. Тогда,если через щетки машины протекает ток Iя, называемый током якоря, то через каждый проводник обмотки якоря протекает ток:

Совокупность сил действующих на все N проводников рамки приводит к возникновению результирующего электромагнитного момента машины:

Пусть, у рассматриваемого ДПТ имеется 2р полюсов (в большинстве случаев в микромашинах 2р = 2 , т. е. число пар полюсов р = 1 ). Расстояние по окружности якоря между серединами смежных полюсов называется полюсным делениемt . Очевидно, что

Где d – диаметр рамки.

Т.к. произведение l*r есть площадь, которую пронизывает полезный магнитный поток полюса Ф , то величина этого потока может быть определена как Ф=В ср * l* r.

После подстановки получим:

или ,

где это - электромагнитная конструктивная постоянная машины.

Таким образом, электромагнитный момент, развиваемый ДПТ пропорционален магнитному потоку Ф и току якоря машины I я. При вращении ротора (якоря) должно выполняться условие равенства моментов:

М=М н +М п +М д,

где М н – момент полезной нагрузки, М п – момент потерь и

- динамический момент. Динамический момент равен нулю в статике, больше нуля при разгоне двигателя и меньше при торможении.

6.2.3. Электродвижущая сила ДПТ

При вращении ротора ДПТ в каждом активном проводнике обмотки якоря, пересекающем нормальные к его поверхности силовые линии магнитного поля полюсов наводятся ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки; величина ЭДС определяется выражением

где l длина активного проводника, B - индукция в данной точке воздушного зазора, v - линейная скорость перемещения проводника относительно линий нормальной к поверхности ротора индукции. При этом при вращении ротора ЭДС в каждом проводнике является периодической переменной во времени величиной.

ЭДС якоря машины равна алгебраической сумме ЭДС проводников, образующих одну параллельную ветвь машины. Каждая параллельная ветвь представляет собой группу последовательно соединённых секций, ток в которых имеет одинаковое направление. Для простой петлевой обмотки число параллельных ветвей 2а всегда равно числу полюсов 2р .

Таким образом, для двухполюсной машины обмотка якоря по отношению к щёткам имеет две параллельных ветви, ЭДС в проводниках которых направлены согласно. Несмотря на то, что при вращении ротора всё новые и новые проводники будут образовывать параллельные ветви, направление ЭДС в проводниках, а также направление суммарной ЭДС параллельной ветви или ЭДС якоря Ея остаётся неизменной при неизменном направлении вращения ротора.

Поскольку число активных проводников параллельной ветви весьма велико, то, несмотря на пульсирующий характер ЭДС каждого из проводников суммарная ЭДС (E) остается практически постоянной при постоянной скорости вращения ротора. В таком случае можно воспользоваться значением средней индукции в воздушном зазоре машины Вср и найти ЭДС.

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.

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

Несколько слов о машинах постоянного тока

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

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

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

Особенности устройства двигателя постоянного тока

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пусковые токи двигателей постоянного тока

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

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

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

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

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

Сферы применения двигателей постоянного тока

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

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