Перед тем, как начать повествование я хотел бы подчеркнуть, что данная статья создана для всех желающих понять принцип работы электродвигателя постоянного тока. Глубина ваших познаний в физике не важна. Я постараюсь донести до любого слушателя данную информацию, показав её актуальность в настоящее время.
Для начала хотелось бы дать вам понять насколько важен в наше время электродвигатель постоянного тока. Ведь, по правде говоря, многие люди даже не понимают, что сталкиваются с данным механизмом очень часто на протяжении дня.
Например, в жаркое время нас спасает от жары кондиционер. Чистоту в доме наведет робот пылесос. Повесить картину или полку поможет шуруповерт. В работе и учебе сейчас просто не обойтись без персонального компьютера. Все игрушки, которые могут двигаться и издавать звуки, тоже используют этот механизм.
Вот некоторые примеры которые покажут вам на сколько часто электродвигатель применяется в всевозможных производствах:
- Краны различных тяжёлых производств
- Привод, с требованиями регулировки скорости в широком диапазоне и высоким пусковым моментом (подъемные установки, прокатные и обжимные станы )
- Привод механизмов напора/натяжения и поворота экскаваторов
- Тяговые Электродвигатели, электровоз , теплоход, карьерные самосвалы и пр.
- Электрические стартёры (пусковая система ДВС*) автомобилей, тракторов и др.
- Миниатюрные низковольтные электродвигатели постоянного тока широко применяются в самых разных устройствах: игрушках, компьютерной технике, оргтехнике (офисная техника) , транспортных средствах (например, привод стеклоочистителей), аккумуляторных электроинструментах, и другое.
- Используются в электромашинах.
- Практически все что работает от аккумуляторов( свёрла, дрели, шуруповёрты, вентиляторы).
* ДВС- двигатель внутренего згорания
Также хотелось бы выделить достоинства именно электродвигателей постоянного тока. Такие как:
- Простота устройства и управления;
- Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя;
- Легко регулировать частоту вращения;
- Хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент), (наибольший пусковой момент у ДПТ* с последовательным возбуждением);
- Компактнее других двигателей (если использовать сильные постоянные магниты в статоре);
- Так как ДПТ* являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах.
*ДПТ- двигатель постоянного тока
Для того чтобы полностью понят принцип работы электродвигателя, я хочу показать вам несколько опытов, объяснить законы по которым работает двигатель с выводом формул и озвучить определения.
Начнём с опыта Эрстеда.
Опыт Эрстеда
Эрстед Ханс Кристиан доказал, что вокруг проводника с током есть магнитное поле (в зависимости от направления движения тока меняется магнитное поле вокруг него) .
Одними из самых главных характеристик магнитного поля являются вектор магнитной индукции и магнитный поток, которые мы разберём ниже.
1. Вектор магнитной индукции- основная силовая характеристика магнитного поля в каждой его точке. Линии совпадающие с направление вектора магнитной индукции называютя силовыми линиями или линиями магнитной индукции.Направление линий находится по правилу буравчика
B=Fmax/LI
В- вектор магнитной индукции ; B=[Тл]
I- сила тока. I=[А]
L- длина проводника, измеряется в метрах
Fmax- максимальная сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током (Сила Ампера).
2. Магнитный поток- характеристика магнитного поля в совокупности точек.(количество линий пронизывающих катушку, чем больше линий тем больше поток)
φ= BScos(B;n); φ=[Вб]
n- нормаль к поверхности контура
Так же для лучшего понимания природы магнитного поля обязательно нужна затронуть тему полярности магнитов или направления силовых линий магнитного поля
Направление силовых линий магнитного поля
Эти линии представляют собой воображаемые кривые, иллюстрирующие направление, в которое мог бы принять гипотетический северный магнитный полюс, если бы его поместили в любую точку магнитного поля.
Принято считать что эти линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный.
Ну и наконец, главная сила, которая принимает участие в работе электродвигателя является Сила Ампера.
Сила Ампера
Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.
F =BlLsin(B;L)
F- сила Ампера, Н
I- Сила тока, Ампер
L- длинна проводника, Метры
B- вектор магнитной индукции
Направления Силы Ампера находится по правилу левой руки (как показано на рисунке):
- Ладонь левой руки располагаем так чтобы вытянутые пальцы указывали направление тока.
- В ладонь должна входить перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции к направлению тока.
- Тогда, отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление Силы Ампера.
Для перехода к разновидностям ЭПТ обязательно надо затронуть тему индукционного тока. На примере опыта Фарадея, я объясню работу ЭПТ от тока, и как это связанно с магнитизмом.
Опыт Фарадея:
Возьмем замкнутую цепь состоящую из катушки, лампы и амперметра, полосовой магнит и вставим его в катушку; в те моменты, когда магнит вставляют и вынимают из катушки в ней возникает индукционный ток. Возникает он в связи с изменением магнитного потока, проходящего через контур катушку. Катушка же стремится вытолкнуть магнит, как нам показал опыт Эрстеда. Вокруг каждого проводника с током есть магнитное поле. Для того, чтобы вокруг проводки катушки появилось магнитное поле в проводке должен потечь ток. Нужно учитывать, что если магнит вставить в катушку и держать его там, то никакой ток по цепи течь не будет, т.к. ток появляется только при изменении магнитного потока. Если магнит будет находится в катушке, на протяжении какого-то времени, то магнитный поток станет постоянным для катушки. Также интересно то, что если начать выносить магнит из катушки, катушка начнёт притягиваться к магниту, а если вносить магнит в катушку, то катушка будет от него отталкиваться. Это значит, что направление тока в катушке, зависит от направления движения магнита.
Теперь можно перейти к отдельным примерам ДПО.
Рамочный коллекторный Электродвигатель
Главной и отличающей характеристикой коллекторного электродвигателя является то, что статором (неподвижной частью) у него является постоянный магнит, а ротором (вращающейся частью) является в данном случае медные рамки. Подача тока на рамки осуществляется специальными щётками (скользящим контактом), как показано на рисунках. Но таких рамок должно быть как можно больше, для плавности хода двигателя. Если в двигателе будет только одна рамка, то совершив оборот в 90 градусов, на неё перестанет действовать Сила Ампера. Рама будет двигаться по инерции (медленнее обычного). Двигатель с большим колличеством рамок называется многополярным.
Коллекторный электродвигатель с катушками
Принцип работы данного электродвигателя схож с принципом работы предыдущего, за исключение того, что в данном типе ДПО, в роли ротора выступают катушки с медной обмоткой, на которые так же за счёт скользящего контакта подаётся ток. Ток течёт так, что один из концов катушки становиться северным полюсом а другой соответственно южным. У всех коллекторных электродвигателей есть значительный недостаток. При контакте щётки быстро стираются, особенно при частом использовании. Но есть и большой плюс - в производстве они гораздо дешевле, чем бесколлекторные.
Бесколлекторный электродвигатель
Принципиальным отличием этого типа двигателя от коллекторного является то, что в данном типе ротором являются магниты, а статором являются катушки. На рисунках 1 и 2 мы можем наблюдать “FTC” - датчик холла (измерительный преобразователь для измерения величины магнитного поля, используются для бесконтактного определения и позиционирования тока). Он определяет движение ротора (магнитов) и нужным образом меняет полярность обмоток за счёт контроллера (в случае первого рисунка). На 2-м же рисунке отсутствует надобность установки контроллера, т.к. в 2-м двигателе используется 2 обмотки. Каждая обмотка разделена на 4 части. Конец и начало обмоток объединены в общую точку, к которой постоянно подключён "+" питания. Оставшиеся концы подключены к транзисторам, которые в свою очередь подключены к датчику холла. За счёт поочерёдного замыкания транзисторов получается менять полярность обмоток.
Таким образом, понимание процесса функционирования данного двигателя, дает нам представление о том, как он работает. Что в свою очередь может пригодиться для применения его в новых приборах и для понимания техники безопасности при использовании таких приборов в быту.
PS надеюсь в голове у вас после всей этой теории не так)