Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Принцип действия двигателя постоянного тока

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

Особенности и устройство ДПТ

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

История изобретения

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

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

Конструкция двигателя

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип действия и использование

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

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

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

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

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

Настройка скорости

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

1. Напряжение якоря U_A (управление напряжением).
2. Основной поток поля (полевое управление), сила магнитного поля.
3. Анкерное сопротивление.

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

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

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

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

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

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