Двигатели постоянного тока предназначены для превращения энергии постоянного тока в механическую работу.

Электродвигатели постоянного тока, намного меньше распространены, нежели двигатели переменного тока. Это связано в первую очередь со сравнительной дороговизной, более сложным устройством, сложностями в обеспечении питания. Но, несмотря на все эти недостатки, ДПТ имеют немало плюсов. Например, двигатели переменного тока , сложно регулировать, ДПТ же отлично регулируются массой способов. Кроме того ДПТ имеют более жесткие механические характеристики и позволяют обеспечить большой пусковой момент.

Электродвигатели постоянного тока применяются в качестве тяговых двигателей, в электротранспорте, в качестве различных исполнительных устройств.

Устройство двигателей постоянного тока

Конструкция двигателя постоянного тока аналогична двигателю переменного тока, но все же имеются существенные различия. На станине 7, которая изготавливается из стали, установлена обмотка возбуждения в виде катушек 6. Между основными полюсами, могут устанавливаться дополнительные полюса 5, для улучшения свойств ДПТ. Внутри устанавливается якорь 4, который состоит из сердечника и коллектора 2, и устанавливается с помощью подшипников 1 в корпус двигателя. Коллектор является существенным отличием от двигателей переменного тока. Он соединяется с щетками 3, что позволяет подавать или в генераторах, наоборот снимать напряжение с якорной цепи.

Принцип действия

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии магнитных полей обмотки возбуждения и якоря. Можно представить, что вместо якоря у нас рамка, через которую протекает ток, а вместо обмотки возбуждения постоянный магнит с полюсами N и S. При протекании постоянного тока через рамку, на нее начинает действовать магнитное поле постоянного магнита, то есть рамка начинает вращаться, причем, так как направление тока не меняется, то и направление вращения рамки остается прежним.

При подаче напряжения на зажимы двигателя начинает протекать ток в обмотке якоря, на него, как мы уже знаем, начинает действовать магнитное поле машины, при этом якорь начинает вращаться, а так как якорь вращается в магнитном поле, начинает образовываться ЭДС. Эта ЭДС направлена против тока, в связи с этим её называют противоЭДС. Её можно найти по формуле

Где Ф – магнитный поток возбуждения, n – частота вращения, а Cе это конструктивный момент машины, который остается для нее постоянным.

Напряжение на зажимах больше чем противоЭДС на величину падения напряжение в якорной цепи.

А если домножить это выражение на ток, то получим уравнение баланса мощностей.

Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока. В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день. Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.

Устройство и принцип работы

ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла. Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток. Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.

Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться. Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку. В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.
Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря. Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.

Двигатели постоянного тока делятся на:
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.
Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.

Краткая история создания

Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом. При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.
В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ. Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.

Особенности ДПТ

Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.
Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.
Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.
КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.

Достоинства и недостатки ДПТ

К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;
— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.

Сфера применения

Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д. кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах. Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.

Состоит из вращающихся нагнетательных элементов, помещенных на статически закрепленную станину. Подобные устройства широко востребованы в технических областях, где требуется повышение диапазона регулировки скоростей, поддержание стабильного вращения привода.

Конструкция

Конструктивно электродвигатель постоянного тока состоит из ротора (якоря), индуктора, коллектора и щеток. Давайте рассмотрим, что представляет собой каждый элемент системы:

1. Ротор состоит из множества катушек, что покрыты проводящей ток обмоткой. Некоторые электродвигатели постоянного тока 12 вольт содержат до 10 и более катушек.
2. Индуктор - неподвижная часть агрегата. Состоит из магнитных полюсов и станины.
3. Коллектор - функциональный элемент двигателя в виде цилиндра, размещенного на валу. Содержит изоляцию в виде медных пластин, а также выступы, которые находятся в скользящем контакте с щетками двигателя.
4. Щетки - неподвижно закрепленные контакты. Предназначены для подводки электрического тока к ротору. Чаще всего электродвигатель постоянного тока оснащается графитовыми и медно-графитовыми щетками. Вращение вала приводит к замыканию и размыканию контактов между щетками и ротором, что вызывает искрение.

Работа электродвигателя постоянного тока

Механизмы данной категории содержат специальную обмотку возбуждения на индукторной части, куда поступает постоянный ток, что в последующем преобразуется в магнитное поле.

Обмотка ротора поддается воздействию потока электроэнергии. Со стороны магнитного поля на данный конструктивный элемент оказывает влияние сила Ампера. В результате образуется крутящий момент, что проворачивает роторную часть на 90 о. Продолжается вращение рабочих валов двигателя за счет образования эффекта коммутации на щеточно-коллекторном узле.

При поступлении электрического тока на ротор, который находится под воздействием магнитного поля индуктора, электродвигатели постоянного тока (12 вольт) создают момент силы, что приводит к выработке энергии в процессе вращения валов. Механическая энергия передается от ротора к прочим элементам системы посредством ременной передачи.

Типы

В настоящее время выделяют несколько категорий электродвигателей постоянного тока:

• С независимым возбуждением - питание обмотки происходит от независимого источника энергии.
• С последовательным возбуждением - обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения.
• С параллельным возбуждением - обмотка ротора включена в электрическую цепь параллельно источнику питания.
• Со смешанным возбуждением - двигатель содержит несколько обмоток: последовательную и параллельную.

Управление электродвигателем постоянного тока

Пуск двигателя осуществляется за счет работы специальных реостатов, которые создают активное сопротивление, включаемое в цепь ротора. Для обеспечения плавного запуска механизма реостат обладает ступенчатой структурой.

Для старта реостата задействуется все его сопротивление. По мере роста скорости вращения возникает противодействие, что накладывает ограничение на рост силы пусковых токов. Постепенно ступень за ступенью увеличивается подводимое к ротору напряжение.

Электродвигатель постоянного тока позволяет регулировать скорость вращения рабочих валов, что осуществляется следующим образом:

1. Показатель скорости ниже номинальной корректируется изменением напряжения на роторе агрегата. При этом крутящий момент остается стабильным.
2. Темп работы выше номинального регулируется током, который возникает на обмотке возбуждения. Значение крутящего момента снижается при поддержании постоянной мощности.
3. Управление роторным элементом осуществляется при помощи специализированных тиристорных преобразователей, которые представляют собой приводы постоянного тока.

Преимущества и недостатки

Сравнивая электродвигатели постоянного тока с агрегатами, функционирующими на переменном токе, стоит отметить их повышенную производительность и увеличенный коэффициент полезного действия.

Оборудование данной категории отлично справляется с отрицательным воздействием факторов окружающей среды. Способствует этому наличие полностью закрытого корпуса. Конструкция электродвигателей постоянного тока предусматривает наличие уплотнений, что исключают проникновение влаги в систему.

Защита в виде надежных изоляционных материалов дает возможность задействовать максимальный ресурс агрегатов. Допускается применение подобного оборудования при температурных условиях в пределах от -50 до +50 о С и относительной влажности воздуха порядка 98 %. Запуск механизма возможен после периода длительного простоя.

Среди недостатков электрических двигателей постоянного тока на первое место выходит достаточно быстрый износ щеточных узлов, что требует соответствующих расходов на обслуживание. Сюда же относится крайне ограниченный срок службы коллектора.

Электрический двигатель - неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперёд. Это настолько важно, что принцип работы электродвигателя изучают ещё со школьной скамьи. Круговое вращение электроприводного вала легко трансформируется во все остальные виды движения. Поэтому любой станок, созданный для облегчения труда и сокращения времени на изготовление продукции, можно приспособить под выполнение множества задач. Каков же принцип действия электродвигателя, как он работает и каково его устройство - обо всём этом понятным языком рассказывается в представленной статье.

Как работает двигатель постоянного тока

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта). При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В - значение магнитной индукции поля; I - ток, циркулирующий в проводнике; L - длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение - мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

Принцип действия современных электродвигателей

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора - специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока - это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока - поле статичное.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества - хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.