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:
- Ротор состоит из множества катушек, что покрыты проводящей ток обмоткой. Некоторые электродвигатели постоянного тока 12 вольт содержат до 10 и более катушек.
- Индуктор - неподвижная часть агрегата. Состоит из магнитных полюсов и станины.
- 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.
- 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:
- Показатель скорости ниже номинальной корректируется изменением напряжения на роторе агрегата. При этом крутящий момент остается стабильным.
- Темп работы выше номинального регулируется током, который возникает на обмотке возбуждения. Значение крутящего момента снижается при поддержании постоянной мощности.
- 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.
В тех приводах, где необходим широкий диапазон регулировки скоростей используется электрический двигатель постоянного тока. Он позволяет с высокой точностью поддерживать скорость вращения и осуществлять необходимые регулировки.
Устройство электродвигателей постоянного тока
В основе работы данного вида двигателей лежит . Если проводник, по которому протекает электрический ток, поместить в магнитное поле, то, согласно , на него будет воздействовать определенная сила.
Когда проводник пересекает магнитные силовые линии, в нем производится наведение электродвижущей силы, направленной в сторону, противоположную движению тока. В результате, получается обратное противодействие. Происходит преобразование электрической мощности в механическую с одновременным нагреванием проводника.
Вся конструкция устройства состоит из якоря и индуктора, между которыми находится воздушный зазор. Индуктор создает неподвижное магнитное поле и включает в себя полюса главные и добавочные, закрепляемые на станине. Обмотки возбуждения располагаются на главных полюсах и создают магнитное поле. Добавочные полюса содержат специальную обмотку, улучшающую условия коммутации.
В состав якоря входит магнитная система. Ее основными элементами являются рабочая обмотка, укладываемая в пазы, отдельные металлические листы и коллектор, с помощью которого к рабочей обмотке подводится постоянный ток.
Коллектор изготавливается в виде цилиндра и насаживается на вал электродвигателя. К его выступам припаиваются концы якорной обмотки. Электрический ток снимается с коллектора при помощи щеток, закрепленных в специальных держателях и зафиксированных в определенном положении.
Основные процессы: пуск и торможение
Каждый двигатель постоянного тока осуществляет два основных процесса пуск и торможение. В самом начале пуска якорь находится в неподвижном состоянии, напряжение и сила, противоположная ЭДС, равны нулю. При незначительном сопротивлении якоря, значение пускового тока превышает номинальное, примерно в 10 раз. Во избежание перегрева обмотки якоря при пуске, применяются специальные пусковые реостаты. При мощности двигателей до 1-го киловатта, осуществляется прямой запуск.
В электродвигателях постоянного тока применяется несколько способов торможения. При динамическом торможении обмотка якоря замыкается коротко, либо с помощью резисторов. Этот способ обеспечивает наиболее точную остановку. Рекуперактивное торможение является наиболее экономичным. Здесь происходит изменение направления ЭДС на противоположное.
Торможение противовключением производится изменением полярности тока и напряжения в якорной обмотке, что позволяет создать эффективный тормозящий момент.
Как работает двигатель постоянного тока
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.
Как известно, электродвигатель постоянного тока – это устройство, которое с помощью двух своих основных деталей конструкции может преобразовывать электрическую энергию в механическую. К таким основным деталям относятся:
- статор – неподвижная/статическая часть двигателя, которая вмещает в себе обмотки возбуждения на которые поступает питание;
- ротор – вращающаяся часть двигателя, которая отвечает за механические вращения.
Кроме вышеупомянутых основных деталей конструкции электродвигателя постоянного тока, существуют также и вспомогательные детали, такие как:
- хомут;
- полюса;
- обмотка возбуждения;
- обмотка якоря;
- коллектор;
- щётки.
В совокупности все эти детали составляют цельную конструкцию электродвигателя постоянного тока. А теперь давайте более подробно рассмотрим основные детали электродвигателя.
Ярмо электродвигателя постоянного тока, которое изготавливают в основном из чугуна или стали, является неотъемлемой частью статора или статической частью электродвигателя. Его основная функция состоит в формировании специального защитного покрытия для более утончённых внутренних деталей двигателя, а также обеспечение поддержки для обмотки якоря. Кроме того, ярмо служит защитным покрытием для магнитных полюсов и обмотки возбуждения ДПТ, обеспечивая тем самым поддержку для всей системы возбуждения.
Полюса
Магнитные полюса электродвигателя постоянного тока – это корпусные детали, которые крепятся болтами к внутренней стенке статора. Конструкция магнитных полюсов содержит в своей основе только две детали, а именно – сердечник полюса и полюсный наконечник, которые состыкованы друг к другу под влиянием гидравлического давления и прикреплённые к статору.
Видео: Конструкция и сборка электродвигателя постоянного тока
Несмотря на это, эти две части предназначены для разных целей. Полюсный сердечник, например, имеет маленькую площадь поперечного сечения и используется, чтобы удерживать полюсный наконечник на ярмо, тогда как полюсный наконечник, имея относительно большую площадь поперечного сечения, используется для распространения магнитного потока созданного над воздушным зазором между статором и ротором, чтобы уменьшить потерю магнитного сопротивления. Кроме того, полюсный наконечник имеет множество канавок для обмоток возбуждения, которые и создают магнитный поток возбуждения.
Обмотки возбуждения электродвигателя постоянного тока выполнены вместе с катушками возбуждения (медный провод) навитыми на канавки полюсных наконечников таким образом, что когда ток возбуждения проходит сквозь обмотку, у смежных полюсов возникает противоположная полярность. По существу, обмотки возбуждения выступают в роли некоего электромагнита, способного создать поток возбуждения, внутри которого вращался бы ротор электродвигателя, а потом легко и эффективно его остановить.
Обмотка якоря
Обмотка якоря электродвигателя постоянного тока прикреплена к ротору или вращающейся части механизма, и, как результат, попадает под действие изменяющегося магнитного поля на пути его вращения, что напрямую приводит к потерям на намагничивание.
По этой причине ротор делают из нескольких низко-гистерезисных пластин электротехнической стали, чтобы снизить магнитные потери, типа потери на гистерезис и потери на вихревые токи соответственно. Ламинированные стальные пластины состыковывают друг к другу, чтобы тело якоря получило цилиндрическую структуру.
Тело якоря состоит из канавок (пазов), сделанных из того же материала, что и сердечник, к которому закреплены обмотки якоря и несколько равномерно распределённых по периферии якоря витков медного провода. Пазы канавок имеют пористые клинообразные спаи, чтобы в последствие источаемой во время вращения ротора большой центробежной силы, а также при наличии тока питания и магнитного возбуждения, предотвратить загибания проводника.
Существует два типа конструкции обмотки якоря электродвигателя постоянного тока:
- петлевая обмотка (у данном случае количество параллельных путей тока между переходниками (А) равно количеству полюсов (Р), то есть А = Р.
- волновая обмотка (у данном случае количество параллельных путей тока между переходниками (А) всегда равно 2, независимо от количества полюсов, то есть конструкции машины выполнены соответствующим образом).
Коллектор
Коллектор электродвигателя постоянного тока – это цилиндрическая структура из состыкованных между собой, но изолированных слюдой, медных сегментов. Если речь идет об ДПТ, то коллектор здесь используется в основном как средство коммутирования или передачи через щётки электродвигателя тока питания от сети на смонтированные во вращающейся структуре обмотки якоря.
Щётки
Щётки электродвигателя постоянного тока изготавливают из углеродных или графитных структур, создавая над вращающимся коллектором скользящий контакт или ползунок. Щётки используют для передачи электрического тока от внешнего контура на вращающуюся форму коллектора, где дальше он поступает на обмотки якоря. Коллектор и щётки электродвигателя используют, в общем, для передачи электрической энергии от статического электрического контура на область с механическим вращением, или просто ротор.
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.
