Электродвигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока – это первая из изобретенных электрических машин, которая преобразует энергию постоянного магнитного поля во вращательное движение. Они обладают большим КПД, чем асинхронные двигатели переменного тока, менее чувствительны к перегрузкам и легко управляются – реверсируюся, ускоряются, замедляются. А возможность уменьшить их размеры до буквально микроскопических предопределило их широкое распространение.

Как работает

Принцип работы электродвигателя, питающегося постоянным током, основан на принципе отталкивания одноименных полюсов магнита. Если свернутый в кольцо проводник подключить к источнику постоянного тока и поместить его между полюсами постоянного магнита, то он повернется на один оборот. Так, чтобы их одноименные полюса совпали.

Правило левой рукиЭтому феномену дал объяснение и математическое обоснование французский физик Андре-Мари Ампер. Вкратце он объясняется правилом левой руки: если открытую ладонь обратить к отрицательному полюсу магнита, так, чтобы четыре пальца показывали направление движения тока по проводнику, то большой палец укажет направление, в котором его вытолкнет магнитное поле.

Чтобы движение продолжилось, в момент совпадения полюсов должно произойти изменение их знаков. Для этого используется до гениальности простое устройство – коллектор. Он состоит из изолированных друг от друга пластин, закрепленных на валу электродвигателя. Концы кольца проводника, образующего якорную обмотку, подключены к нему неподвижно. А питающее напряжение – посредством скользящих контактов, которые изначально делали из пучка тонких проводников, поэтому их назвали щетками. В момент поворота рамки с током происходит смена полярности, и она продолжает движение, отталкиваясь от неподвижного полюса магнита. Вот зачем нужны щетки в электродвигателе постоянного тока и почему его второе название «коллекторный двигатель».

Если якорная обмотка состоит из одной рамки, то она не сможет начать вращаться, если находится на магнитной нейтрали – перпендикулярно линии электромагнитного поля. Для запуска двигателя придется приложить усилие к его валу. Для ликвидации этого эффекта используется две якорные обмотки, но общераспространенным правилом является применение минимум трех.
Устройство двигателя постоянного тока

Итак, конструкция любого двигателя постоянного тока состоит из трех элементов:

  1. Неподвижного магнита на статоре.
  2. Ротора с тремя или большим числом обмоток.
  3. Щеточного узла, к которому подводится питающее напряжение.

Статорный магнит может быть выполнен как из ферромагнетика, так и в виде нескольких катушек, подключенных к тому же источнику электричества, что и щеточный узел. Тогда он называется обмоткой возбуждения. Для плавности хода на статоре устраивается как минимум четыре соленоида, образующих два электромагнита.

Скользящие проволочные контакты на коллекторе сначала заменили щетки угольные, а потом более прочные, сделанные из электротехнического графита. Количество коллекторных пластин зависит от способа укладки якорных обмоток, который может быть петлевым, волновым или секционным. Однако оно ограничивается диаметром коллектора и физической толщиной щетки – одновременно она не должна перекрывать более двух пластин. В противном случае уменьшается число обмоток, участвующих в коммутации – переключении полюсов, что ведет к снижению вращающего момента двигателя.

Схемы подключения и способы управления

Существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

  1. Обмотка возбуждения включена параллельно якорной. Обеспечивается высокая стабильность частоты вращения.
  2. Обмотка возбуждения включена последовательно с якорной. Способ позволяет регулировать вращающий момент во время пуска и получать плавную скоростную характеристику. Поэтому он используется для включения тяговых электродвигателей на транспорте.
  3. Обмотка возбуждения делится на две – одна включена параллельно с якорной, другая последовательно с ней.

Способы возбуждения машин постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока с независимой (параллельной обмоткой) вычисляется по формуле: N = (U – Iя . Rя)/(kc . Ф). Где:

  • U – величина питающего напряжения.
  • Iя и Rя – ток в цепи якоря и ее сопротивление.
  • kc – коэффициент качества магнитной системы.
  • Ф – сила магнитного потока.

Изменить ее можно тремя способами:

  1. Увеличить или уменьшить величину питающего напряжения. Возможно как ускорение, так и замедление двигателя. Регулировка количества оборотов осуществляется плавно.
  2. Изменить сопротивление цепи якоря. Регулировка ведется дискретно, в сторону уменьшения, но не более чем до половины номинальных оборотов. Способ связан с большими энергетическими потерями.
  3. Изменить сопротивление цепи обмотки возбуждения. Это приводит к изменению силы магнитного потока. Чем меньше ток, тем он слабее, а частота вращения выше. Теоретически возможно торможение, но на практике, из-за насыщения магнитной системы, увеличение силы тока непропорционально велико по отношению к величине приращения силы магнитного потока. Это может привести к аварии. Однако и чрезмерное ослабление тока в обмотке возбуждения вредно – машина пойдет вразнос.

Реверсирование осуществляется изменением полярности напряжения, подаваемого на якорь.

Коллекторный двигатель переменного тока

Материал и способ исполнения обмоток коллекторного двигателя аналогичен тем, которые используются в асинхронных машинах. Поэтому его подключение к переменному току не вызывает аварии. Чтобы вращение продолжалось в одну сторону, обмотки якоря и статора включаются последовательно, тогда смена полярности полюсов магнитов происходит одновременно.

Такая конструкция широко используется в ручном инструменте, подключаемом к однофазной сети 220 вольт. Она обладает рядом преимуществ перед асинхронным двигателем:

  • Нет необходимости создавать вращающееся магнитное поле, подключение в сеть происходит напрямую, без фазосдвигающих устройств.
  • Поскольку магнитные поля ротора и статора вращаются синхронно, момент на валу двигателя очень высок, он устойчиво работает при переменных нагрузках.
  • Просто регулировать частоту вращения.

К недостаткам коллекторного двигателя стоит отнести щеточный узел, из-за которого работа сопровождается шумом, искрением и радиопомехами.

Двигатели постоянного тока – это уникальные электрические машины, находящие применение повсеместно. Они работают в системах охлаждения компьютеров, приводят в движение электровозы, ледоколы и подводные лодки.