Ростелеком ТВ 

Разбираемся в принципах работы электродвигателей: преимущества и недостатки разных видов. Электродвигатели. Какие бывают двигатели? Типы электродвигателей

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) представляют собой механизм, преобразующий поступающую на него электрическую энергию в механическое вращение. Работа агрегата базируется на явлении электромагнитной индукции — на проводник, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера: F = B*I*L, где L — длина проводника, I — ток, протекающий по проводнику, B — индукция магнитного поля. Данная сила обуславливает возникновение крутящего момента, который может быть использован для неких практических целей.

Электродвигатели постоянного тока обладают следующими преимуществами:

  • Простота и надежность конструкции.
  • Практически линейные регулировочные и механические характеристики, благодаря чему обеспечивается удобство эксплуатации.
  • Большая величина пускового момента.
  • Компактные размеры (особенно сильно выражено у двигателей на постоянных магнитах).
  • Возможность использования одного и того же механизма как в режиме двигателя, так и генератора.
  • КПД при полной нагрузке, как правило, выше на 1-2 % чем у асинхронных и синхронных машин, а при неполной нагрузке преимущество может возрастать до 15 %.

Основным недостатком данных устройств является высокая цена их изготовления. Также стоит отметить необходимость регулярного обслуживания коллекторно-щеточного узла и определенное ограничение срока эксплуатации, вызванные его износом, однако на современных моделях эти недостатки практически полностью нивелированы.

Стоит отметить, что механическая характеристика, а значит, и все эксплуатационные показатели во многом зависят от схемы подключения обмотки возбуждения. Всего их четыре:

Рисунок 1. Асинхронные электродвигатели серии АИРЕ с рабочим конденсатором Способы возбуждения: а — независимое, б — параллельное, в — последовательное, г — смешанное.

Области применения ДПТ

Несмотря на то, что подавляющее большинство электрических сетей обеспечивают переменное напряжение, электродвигатели постоянного тока используются весьма и весьма широко. Собственно говоря, все промышленные приводы, где требуется точная регулировка частоты вращения, реализованы именно на базе ДПТ. Кроме того, электрические машины на постоянных магнитах благодаря своей эффективности и большой плотности мощности широко используются в оборонительной отрасли.

Впрочем, не стоит думать, что вы не сталкивались вживую с данными механизмами. Отсутствие жестких ограничений по размерам приводит к тому, что мы зачастую их не замечаем. Например, в автомобилестроении используются только электродвигатели постоянного тока, причем, несмотря на различие в мощности, на всем грузовом транспорте и спецтехнике они запитаны от 24 вольт, в то время как на легковых автомобилях их рабочее напряжение составляет 12 вольт. Получая энергию от аккумуляторной батареи или генератора, они отвечают за позиционирование сидений, управление зеркалами, поднятие и опускание стекол, а также поддержание в салоне заданной температуры.

Впрочем, электродвигатели постоянного тока могут и сами приводить в движение транспортные средства, и это далеко не только игрушечные автомобили-аттракционы с 12-вольтным аккумулятором. Для того чтобы ощутить, насколько мощными могут быть эти устройства, достаточно оказаться вблизи проходящей мимо пригородной электрички, а мягкость и точность регулировки оборотов наглядно демонстрирует плавный разгон троллейбусов.

Данные электродвигатели широко применяются как в электрическом транспорте (метро, троллейбус, трамвай, пригородные электрические железные дороги, электровозы), так и в подъемных устройствах (электрические подъемные краны).

Двигатели постоянного тока (ДПТ), используются для превращения постоянной электрической энергии в механическую работу. Двигатель этого типа был первый из всех изобретенных вращающихся электромашин. Принцип его действия известен с середины прошлого столетия, и до настоящего времени они продолжают верно служить человеку, приводя в движение огромное количество машин и механизмов.


В 1821 году Фарадей, проводя эксперименты при взаимодействии проводников с током и магнитом, увидел, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита. Таким образм, опыт Фарадея подготовил почву для создания электрического двигателя. Немногим позже, Томас Дэвенпортв 1833 году изготовил первый роторный электродвигатель, и реализовал его при движении модель поезда. Годом позже, Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором был использован принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. А уже 13 сентября 1838 г в Российской империи первая моторная лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения. Колеса с лопостями приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 элементов.

В 1886 году электродвигатель стал похож на современные варианты. В дальнейшем он всё более и более модернизировался.

Сегодня жизнь нашей техноргенной цивиализации совершенно невозможна без электродвигателя. Он используется практически везде: в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках используются мощные электрические станки, приборы бытовой техники (Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы) и т.п

Сегодня, двигатели постоянного тока с постоянным магнитом широко используются в различных приложениях, где важны маленькие габариты, большая мощность и низкая стоимость. В связи с неплохой скоростью вращения, их часто применяют вместе с редуктором получая на выходе низкую скорость и существенное увеличение крутящего момента.

ДПТ с постоянным магнитом - это двигатели с достаточно простым устройством и элементарным управлением. Не смотря на то, что управление ими очень простое, скорость их вращения не определяется управляющим сигналом, т.к она зависит от множества факторов, прежде всего от прилагаемой на вал нагрузки, и постоянного напряжения питания. Соотношение идеального крутящего момента двигателя и скорости - линеарное, т.е чем больше нагрузка на вал, тем медленнее скорость и тем больше ампер в обмотке.

Подавляющее большинство электродвигателей работает в соответствии с физикой магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней электрический ток, то ее начнет выдавливать наружу.Т.к когда , он формирует вокруг себя кмагнитное поле по всей длине проводника. Направление этого поля можно узнать по правилу буравчика.

При взаимодействии кругового магнитного поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами поле с одной стороны уменьшается, а с другой увеличивается. То есть среда результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, в соответствии с . , а величина вычисляется по формуле

где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода

В электродвигателях малой мощности для создания постоянного магнитного поля используются типовые постоянные магниты. В случае средней и большой мощности однородное магнитное поле генерируют с помощью обмотки возбуждения.

Рассмотрим процесс получения механического движения с помощью электричества более подробно. В однородном магнитном поле вертикально разместим проволочную рамку и подключим ее к источнику постоянного напряжения. Рамка начнет проворачивается и достигает горизонтального положения. Которое считается нейтральным, т.к в нем воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение не останавливалось, нужно поместить ещё хотя бы одну рамку с током и обеспечить переключение направления движения в необходимый момент.

Типичный двигатель вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в специальные пазы, а вместо постоянного магнита - статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полюсами. На рисунке чуть выше показан двухполюсный электромотор в разрезе. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас», а в нижней части - «на нас», то в соответствии с правилом левой руки верхние проводники будут выдавливаться из магнитного поля статора влево, а нижней части якоря - выталкиваться вправо. Т.к медный провод размещен в специальных в пазах якоря, то, вся сила будет переходить и на него, и он будет крутиться. Поэтому, когда проводник с токовым направлением «от нас» окажется внизу и станет против южного полюса создаваемого статором двигателя, то он будет выдавливаться в левую сторону, и начнется торможение. Чтобы этого избежать требуется поменять токовое направление на обратное, в тот момент когда будет пройдена нейтральная линия. Это осуществляется с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с схемой.

Итак, обмотка якоря двигателя передает вращающий момент на вал движка постоянного тока, а тот приводит в движение рабочие механизмы. Конструктивно все двигатели состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным промежутком.


Статор электродвигателя служит для создания неподвижного магнитного поля и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина предназначена для крепления основных и добавочных полюсов и служит элементом магнитной цепи. На главных полюсах имеются обмотки возбуждения, используемые для создания магнитного поля, на добавочных полюсах расположена специальная обмотка, используемая для улучшения условий коммутации.

Якорь двигателя состоит из магнитной системы, сделанной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в специальные пазы, и коллектора для подвода к рабочей обмотке питания.

Коллектор похож на цилиндр, насаженный на вал ЭД и сделанный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе находятся специальные выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки. Съем тока с коллектора происходит с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки находятся в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и создают требуемое нажатие на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели крепятся на траверсе и связанны с корпусом.


Коллектор сложный, дорогой и самый ненадежный узел двигателя постоянного тока. Он часто искрит, создает помехи, забивается пылью от щеток. А при большой нагрузке может все закоротить наглухо. Его главная задача переключать напряжение якоря туда сюда.

Чтобы лучше понять работу коллектора сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда рамка займет положение, А, в ее проводниках будет индуктироваться максимальный по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.


Индуктированный ток из проводника В, соединенного с пластиной 2, следует на щетку 4 и, проходя внешнюю цепь, через щетку 3 возвращается в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к токовому индуктированию в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Поэтому, несмотря на изменение токового направления двигателя в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, направление тока во внешней цепи не изменилось.

В следующий момент (Г), рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, во внешней цепи ток течь опять не будет.

В последующие временные интервалы рассмотренный цикл движений будет повторяться в той же последовательности, т.о, направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться постоянным, а вместе с этим сохраняеться и полярность щеток.

Щеточный узел используется для подвода питания к катушкам на вращающемся роторе и токового переключения в обмотках. Щетка это неподвижный контакт. Они с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Для уменьшения искрения последних используют различные способы, основным из которых является использование добавочных полюсов.

С ростом разгона начинается следующий процесс, обмотка якоря двигаясь поперек магнитного поля статора и наводит в нем ЭДС, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко уменьшается и тем сильнее, чем больше скорость.

Схемы включения двигателя . При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря изготавливается из большого количества витков тонкой проволоки. Тогда коммутируемый коллектором ток будет ниже и пластины не будут сильно искрить. Если выполнить последовательное соединение обмоток статора и якоря, то обмотка индуктора выполняется проводником большего диаметра с меньшим количеством витков. Поэтому, намагничивающая сила остаётся постоянной, а характеристики двигателя увеличиваются.


Двигатели этого типа со щетками, в принципе, не нуждается в отдельной управляющей схеме, т.к. вся нужная коммутация осуществляется внутри двигателя. Во время работы электродвигателя на вращающемся коммутаторе ротора скользит пара статических щеток и они держат обмотки под напряжением. Направление движения вращения задается полярностью напряжения питания. Если управлять двигателем необходимо только в одну сторону, то питающий ток коммутируют через реле или другим простым методом, а если в обе стороны, то используется специальную схему управления.

Недостатками двигателей этого типа можно считать быстрый износ щеточно-коллекторного узла. Достоинства – хорошие характеристики запуска, простая регулировка частоты и направления вращения.

Наличие обмотки возбуждения у двигателя постоянного тока дает возможность реализовывать различные схемы подключения. В зависимости от того каким образом соединена обмотка возбуждения (ОВ), бывают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, и с самовозбуждением, которое, в свою очередь разделяется на последовательное, параллельное и смешанное.

Пуск двигателей этого вида осложнен возникающими в момент старта огромными значениями моментов и пусковых токов. В ДПТ пусковые токи могут превышать номинальные в 10-40 раз. Такое сильное превышение может легко сжечь обмотки. Поэтому токи при пуске стараются ограничить до уровня (1,5-2) I н

Работа асинхронного двигателя основана на принципах физического взаимодействия магнитного поля, появляющегося в статоре, с током, который это же поле генерирует в роторной обмотке.

Синхронный двигатель – это разновидность электродвигателей, только работающих от переменного напряжения, при этом частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля. Именно поэтому она остается постоянной вне зависимости от нагрузки, т.к ротор синхронного двигателя – это обычный электромагнит и его, количество пар полюсов совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Поэтому взаимодействие этих полюсов обеспечивает постоянство угловой скорости, с которой крутится ротор.

Электродвигатели устройства для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот, но это уже генераторы. Существует огромное разнобразие типов электромоторов, поэтому и схем управления электродвигателями существует великое множество. Рассмотрим некоторые из них

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.

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.

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.

  1. Наличие двух мёртвых точек , из которых самостоятельный пуск невозможен. (Те самые два полюса магнитов).
  2. Слишком слабое магнитное отталкивание при слабом токе. Или сильное сопротивление вращения, не позволяющее пуск.
  3. 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.