Двигатели постоянного тока используются в качестве тяговых на электротранспорте, для привода грузоподъёмных механизмов, в аккумуляторном электроинструменте. У них хорошие пусковые характеристики и легко поддаются регулировке частоты вращения. Сегодня мы рассмотрим принцип работы и устройство двигателей постоянного тока.
Принцип работы
Простейший двигатель постоянного тока (ДПТ) состоит из неподвижной части — статора, и подвижной вращающейся части — ротора. На его статоре расположен постоянный магнит, а на роторе расположена обмотка. Ротор двигателя постоянного тока ещё называют якорем.
На роторе расположен магнитопровод с обмоткой и щёточно-коллекторный узел. Последний состоит, как видно из названия, из коллектора и щёток:
- Коллектор — это набор контактов, расположенных на круглом роторе, они же называются «ламели».
- Щётки – это скользящие неподвижные контакты, прижатые к коллектору. Они нужны для подачи тока на вращающийся якорь в двигателе или снятия тока в генераторах.
Если подвести к щёткам A и Bнапряжение от источника постоянного тока, например, к А «плюс» и к В «минус», то в обмотке якоря появится ток I, направление которого указано на рисунке ниже. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита появятся электромагнитные силы Fэм. Эти силы создадут вращающий момент М на якоре, и тот начнет движение против часовой стрелки.
После поворота якоря на 180° направление электромагнитных сил останется прежним, потому что при переходе проводника его обмотки из зоны магнитного полюса одной полярности, в зону действия полюса с другой полярностью изменяется и направление тока. Как раз для этого и нужен коллектор, как именно происходит переключение обмоток и изменение направления тока в них при вращении якоря вы можете видеть на следующей иллюстрации.
Вот как это происходит:
Если бы коллектора не было, а стояли токосъёмные кольца, как на якорях синхронных машин, то якорь бы не вращался, а примагнитился и замер в одном положении.
Но рассмотренная нами модель максимально упрощена, в реальности такой двигатель не будет устойчиво работать. Когда проводники проходят линию геометрической нейтрали (обозначена на рисунке 2 как n-n’) электромагнитные силы Fэм становятся равными 0, в учебниках об этом говорят так: «магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю». Если увеличить число проводников в обмотке, и число ламелей, при этом равномерно распределить их по поверхности якоря, то его вращение станет устойчивым и равномерным, что, собственно, мы и видим на практике.
Подведём итоги: несмотря на то, что эти двигатели называют двигателями постоянного тока, для их работы требуется протекание в якоре переменного тока. Щёточно-коллекторный узел или, как его еще называют, коммутатор выполняет функцию преобразователя постоянного тока в переменный и является незаменимой частью машины переменного тока.
Устройство
Постоянные магниты используются в маломощных двигателях постоянного тока, в мощных машинах вместо них используется обмотка возбуждения. Ток, который на неё подаётся, называют током возбуждения, а поле, соответственно, полем возбуждения.
Итак, статор двигателя постоянного тока состоит из станины (рис. 5-6) и главных полюсов (рис. 5-4 и 5). Станина должна обладать достаточной механической прочностью и магнитной проницаемостью, так как это часть магнитопровода, поэтому её изготавливают из стали.
На станине также закрепляются подшипниковые щиты, а на её нижней части есть лапы для крепления двигателя. По окружности станины есть отверстия (рис. 5-4) для крепления главных полюсов.
Главные полюсы создают в машине магнитное поле возбуждение, они состоят из сердечников (рис. 5-4) и катушек (рис. 5-5). Сердечники выполняют шихтованными из листовой электротехнической стали, например, марки 3411 или технической стали толщиной 1-2 миллиметра. Пластины друг от друга изолируют лаком или слоем окалины, это нужно для снижения вихревых токов и, как следствие, потерь в машине. Со стороны полюсного сердечника, которая «смотрит» на якорь, есть полюсный наконечник. Он нужен для правильного распределения магнитной индукции в зазоре машины.
В машинах постоянного тока катушку мощностью более 1 киловатта катушку делают каркасной, то есть её наматывают на пластиковом каркасе и надевают на сердечник полюса. А в маломощных наматывают прямо на сердечник, предварительно подложив изолирующую подкладку.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала (рис. 5-10), на котором установлен. сердечник (рис. 5-3) и коллектор (рис. 5-1). Как и в случае с полюсами, для снижения вихревых токов и потерь, сердечник якоря набирается из штампованных листов электротехнической стали, которые покрывают лаком для изоляции, собирают в пакет и запекают. После запекания сердечник напрессовывают на вал.
Вихревые токи возникают в проводниках из-за перемагничивания при вращении в магнитном поле. При снижении сечения каждой пластины сердечника – снижаются и вихревые токи.
На самом сердечнике якоря есть пазы, в которые укладывается обмотка. После укладки проводов, чтобы их зафиксировать, пазы закрывают клиньями или наматывают бандаж из проволоки или стеклоленты.
Коллектор (рис. 5-1) – один из самых важных и сложных узлов. Его основной элемент – медные пластины трапецеидального сечения, установленные в коллекторе так, что снаружи формируется цилиндрическая поверхность. Коллекторные пластины (ламели) крепятся в специальной стальной или пластиковой шайбе с помощью «ласточкиного хвоста» (см. рис. 7а-6), и зажимаются шайбами (рис. 7а-1 и 3), которые в свою очередь изолированы миканитовыми шайбами (рис. 7а-4). Сами же конусные шайбы стягиваются винтами (рис. 7а-2).
В процессе работы поверхность ламелей стирается щётками, чтобы в результате миканитовые прокладки не выступали (тогда будут щётки вибрировать и искрить), между ламелями фрезеруются пазы глубиной до 1.5 мм. Часть ламели, обозначенная цифрой 5 на рисунке 7-а называется «петушком» в неё укладываются и припаиваются провода обмотки якоря.
У маломощных двигателей постоянного тока используется коллектор немного другой конструкции, более простой в изготовлении. Их называют «коллекторы на пластмассе» (рис. 8). Здесь пластмасса (рис. 8-2) образует корпус коллектора, и удерживает ламели (рис. 8-1) и миканитовые пластины, она занимает место между стальной втулкой (рис. 8-4) и ламелями.
Щётки располагаются в щёткодержателях. Это неподвижный узел, часто оснащается пружинами, которые прижимают щётки к коллектору. Щётка соединяется с электрической цепью машины (и источником питания) с помощью плетённого медного тросика, он очень гибкий и не затрудняет перемещение щётки в обойме. Вы можете увидеть устройство этого узла на рисунке 9.
Щёткодержатель позволяет регулировать давление на щётку. Это важно для стабильной работы машины. Слишком сильный нажим приведет к тому, что щётки будут изнашиваться быстрее, а коллектор будет греться. А если щётки прижаты плохо — то они начинают искрить.
Вернёмся к рисунку 5, для вашего удобства немного нарушим нумерацию рисунков и продублируем его. В двигателе есть ещё несколько важных элементов – это два подшипниковых щита (рис. 5-12) со сменяемыми подшипниками, которые обеспечивают лёгкое вращение вала и вентилятор (рис. 5-8). Вентилятор здесь, как и во многих других типах электродвигателей установлен на валу двигателя и обдувает его статор для охлаждения во время работы.
Для удобного обслуживания на переднем подшипниковом щите есть окно для осмотра коллектора и щёток без полной разборки машины. Это важно, так как на производствах электрики меняют щётки довольно часто, в зависимости от нагрузки на машину периодичность замены может составлять и 1-2 недели, поэтому нужно постоянно следить за их состоянием.
Схемы соединения обмоток
Во многом характеристики и особенности работы двигателей постоянного тока зависят от схемы соединения обмотки якоря и обмотки возбуждения различают 4 основных схемы:
- Независимое возбуждение. Якорь и обмотка возбуждения питаются от разных источников, обмотка возбуждения питается от возбудителя.
- Параллельное возбуждение. Обмотка возбуждения и якорь подсоединены параллельно.
- Последовательное возбуждение. Якорь и обмотка возбуждения соединены последовательно.
- Смешанное возбуждение. В этом случае у двигателя есть две обмотки возбуждения, одна соединяется с якорем параллельно, а втора – последовательно.
Интересно! Во всех случаях устройство электродвигателя одинаково, отличается лишь конструкция обмотки возбуждения.
При независимом возбуждении обмотка якоря подключена к основному источнику питания, например, сети постоянного тока, с напряжением U, а обмотка возбуждения к другому источнику постоянного тока с напряжением Uв через регулировочный реостат Rрв. В цепь якоря включён пусковой реостат Rп.
Регулировочный реостат Rрв регулирует ток возбуждения и магнитный поток Ф. Иначе говоря, нужен для регулировки частоты вращения якоря двигателя при работе. Пусковой реостат – для плавного пуска и ограничения пусковых токов в обмотке якоря. При такой схеме цепь якоря и цепь возбуждения не связаны, и токи в них не зависят друг от друга. Если пренебречь некоторыми особенностями, то можно считать, что поток двигателя Ф не зависит от нагрузки.
Поэтому зависимость электромагнитного момента М от частоты вращения n и тока якоря Iя будут линейными (рис 11-а), как и их механические характеристики (рис. 11-б). Угол наклона рабочей характеристики (рис. 11-в) зависит от сопротивления пускового реостата Rп. Чем больше его сопротивление — тем более мягкая характеристика, тем больше её угол наклона.
Характеристика 1, когда двигатель работает без сопротивления в цепи якоря называется естественной, она жёсткая, угол её наклона очень маленький. Характеристики 2, 3, 4 и называют реостатными, и угол их наклона тем больше, чем больше сопротивление в цепи якоря. То есть на характеристике 1 – Rп=0, на характеристике 2 сопротивление Rп1≠0, на графике 3 – Rп1<Rп2 и т. д.
Из особенностей выделим, что двигатель с независимым возбуждением может пойти вразнос при обрыве цепи возбуждения. В цепь обмотки возбуждения не подключают предохранителей или автоматических выключателей, так как при разрыве цепи возбуждения резко уменьшится магнитный поток и останется лишь поток от остаточного возбуждения. Если в это время двигатель работает на холостом ходу или нагрузка на валу маленькая, то частота вращения сильно возрастёт, грубо говоря, двигатель начнёт разгоняться до бесконечности.
Это происходит, потому что уменьшается магнитный поток и, как следствие, уменьшается ЭДС якоря, а приложенное к нему напряжение остаётся неизменным, поэтому сильно увеличивается ток якоря Iя. Для равновесной работы двигателя нужно, чтобы его ЭДС была приблизительно равна приложенному напряжению (Uном=Eя+Iя×Rя). Так как ЭДС пропорциональна магнитному потоку возбуждения и частоте вращения якоря (Ея=Се×Фв×n), а магнитный поток очень снизился, то двигатель будет разгоняться до тех пор, пока ЭДС не вырастет до нужных значений (E= U-Iя×∑Rя), при остаточном магнитном потоке.
В результате по коллектору может возникнуть круговой огонь – это аварийная ситуация, от которой двигатель выйдет из строя. Чтобы этого избежать нужна защита, которая отключит двигатель от источника питания.
Если же нагрузка на валу будет близка к номинальной, то при разрыве цепи возбуждения он просто остановится, и резко увеличится ток якоря. Чтобы избежать выхода двигателя из строя, он должен быть отключён от питания.
Схема электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, в общем, похожа на схему с независимым, но обмотка возбуждения питается от того же источника что и якорь.
Характеристики и особенности — это схемы в целом такие же, как и у схемы с независимым возбуждением, но есть некоторые отличия:
- Двигатель с параллельным возбуждением нормально работает только от источника постоянного тока с неизменяющимся напряжением.
- Если он работает от управляемого выпрямителя или от генератора, где напряжение изменяется, то уменьшение напряжение приведёт к уменьшению тока возбуждения Iв, и к увеличению тока якоря Iя, что опять-таки аналогично предыдущему случаю. Это ограничивает возможности регулировки оборотов двигателя с помощью изменения питающего напряжения.
Рассмотрим следующую схему – двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. В этом случае также используются два реостата – пусковой и регулировочный. Регулировочный реостат подключается параллельно обмотке возбуждения для регулировки частоты вращения якоря, его может и не быть в схеме.
Главная особенность этой схемы в том, что ток возбуждения равен току якоря. Если в цепь добавляется регулировочный реостат Rрв, то ток возбуждения Iв не равен, но пропорционален току якоря Iя. Поэтому магнитный поток Ф зависит от нагрузки двигателя — при повышении нагрузки в этой схеме увеличивается не только ток якоря Iя, но и ток возбуждения Iв.
Если ток якоря Iя ниже номинального Iном на 10-20%, то магнитная система двигателя не насыщена, и магнитный поток Ф изменяется прямо пропорционально току якоря. Скоростная характеристика при этом мягкая. При повышении тока якоря Iя будут снижаться его обороты, из-за того, что увеличивается падение напряжения на его обмотках (Uобмоток=Iя×∑Rя), и увеличивается магнитный поток Ф (вспомните почему двигатель идет в разнос и формулы, которые я там указывал, так вот здесь ситуация обратная). А электромагнитный момент М при увеличении тока якоря будет резко возрастать (рисунок 14-а), зависимость момента имеет форму параболы — момент увеличивается сильнее, чем ток Iя.
Когда ток якоря больше номинального Iя>Iном магнитная система насыщена и магнитный поток Ф при изменении тока якоря не изменяется, при этом зависимость момента М и частоты вращения n от тока якоря становятся линейной.
Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением может пойти вразнос на холостом ходу. Это связано с тем, что механическая характеристика у него мягкая с гиперболическим характером и без нагрузки или с маленькой нагрузкой двигатель потребляет малый ток, а ток возбуждения зависит от тока якоря, следовательно и магнитный поток будет низким, из-за чего частота вращения резко возрастает.
Если упростить всё вышесказанное, то такие двигатели нельзя применять для привода в движение механизмов, которые работают в режиме холостого хода или при малой нагрузке на валу. Минимальная нагрузка двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением большой и средней мощности составляет от 20 до 25% от номинальной, а применение ремённой передачи или фрикционной муфты недопустимо. Если ремень оборвёт – двигатель останется без нагрузки.
Но такие двигатели всё равно широко используются в электротранспорте, где нагрузочный момент изменяется в широких пределах (электровозы, электропоезда, электрокары и погрузчики) и в приводах грузоподъёмных механизмов. Это объясняется тем, что из-за мягких характеристик при увеличении нагрузочного момента у него меньше растёт ток и потребляемая мощность, чем у двигателей с независимым или параллельным возбуждением.
К тому же у двигателей с последовательным возбуждением больший пусковой момент, потому что при возрастании тока обмотки якоря растёт и ток возбуждения, а вместе с ним и магнитный поток. Так пусковой момент у двигателей с последовательным возбуждением может превышать номинальный момент до 4-х раз, а у двигателей с независимым и параллельным возбуждением до 2-х раз (если пренебречь реакцией якоря, влиянием насыщения и падением напряжения в цепи обмотки).
В электродвигателе со смешанным возбуждением магнитный поток создают две обмотки возбуждения – параллельная и последовательная. Параллельная обмотка может быть и независимой, если подключить её к другому источнику.
Она совмещает в себе особенности всех предыдущих схем, например, поток последовательной обмотки зависит от тока якоря и зависит от нагрузки, а поток параллельной зависит только от тока возбуждения Iв1, а от нагрузки не зависит. Механическая характеристика представляет собой среднее от характеристик двигателей с параллельным и последовательным возбуждением, и изменяя токи возбуждения последовательной или параллельной обмотки её можно приблизить к характеристике одного (кривая 3 при малой магнитодвижущей силе последовательной обмотки) или другого типа двигателя (кривая 4 при малой магнитодвижущей силе параллельной обмотки).
Следовательно, у этого двигателя есть достоинства других типов двигателей, например. Он может работать на холостом ходу, когда Ф последовательной обмотки близок или равен 0, и не идти вразнос, так как его частота вращения определяется потоком параллельной обмотки.
Подведём итоги
Двигатели постоянного тока широко используются там, где нужен хороший пусковой момент или возможность регулировки частоты вращения в широких пределах. Благодаря этому они нашли широкое применение и в ручном аккумуляторном инструменте, где возбуждение происходит за счёт постоянных магнитов, а не обмоток и для регулировки оборотов просто изменяется напряжение питания, с помощью ШИМ-регулятора, встроенного в кнопку пуска.
Но есть и свои недостатки, хотя бы в том, что щётки и сам коллектор имеют конечный ресурс. Щётки стираются, а пластины коллектора замыкает из-за угольной пыли со щёток, и сами они также стачиваются в процессе работы. При дефекте поверхности пластин коллектора возникает искрение и круговой огонь. По этим же причинам использование двигателей постоянного тока во взрывоопасных местах ограничено. Поэтому в последнее время ДПТ во некоторых сферах вытесняются бесколлекторными двигателями, так называемыми BLDC.
Алексей Бартош специально для ЭТМ.
