Двигатель постоянного тока: устройство и принцип действия, конструкция и управление, применение дпт

Обновлено: 24.04.2024

Электротехника занимает особое место в жизни современного человека. Электродвигатель входит в перечень популярных устройств, что находят применение в разных направлениях деятельности человека. Недавно был опубликован текст, где детально изложены все нюансы силового агрегатного механизма, функционирующего в сети переменного тока.

Тема этой статьи затрагивает двигатель постоянного тока: устройство и принцип действия системы, особенности конструкции, способы коммуникации с электросетью и прочие нюансы.

Особенности силового агрегата

Ответ на вопрос: "из чего состоит двигатель постоянного тока" выглядит так:

1. Вал для монтажа остальных компонентов.
2. Роторный элемент (якорь), в который входят:
2.1 Сердечник - комплекс металлических элементов, изготовленных из стального сплава для электротехники.
2.2 Обмотка.
2.3 Коллектор.
2.4 Главный полюс - комплекс металлических элементов (пластин). В случае небольших агрегатных механизмов допустимо производство полюсов из магнитов.
2.5 Обмотка возбуждения.
2.6 Цельные вспомогательные полюсы (в малогабаритных системах отсутствуют) позволяют оптимизировать коммутацию. Их размещают между ключевых полюсов.
2.7 Обмотка из окрашенной проводки вспомогательного полюса.
3. Корпус двигателя изготавливают из чугуна. Этот металл хорошо зарекомендовал себя при эксплуатации в экстремальных условиях. Он обладает оптимальным значением износостойкости. Чтобы улучшить корпус, инженеры разрабатывают конструкцию с ребрами, позволяющими соблюдать правильный баланс температур при эксплуатации агрегата. Полюсы и якорь монтируют в корпус. Они нужны для формирования индуктора.
4. Конечные элементы обмотки зоны полюсов подключается к коробке с клеммами. В этом техническом блоке имеются модули, обеспечивающие сопряжение с индуктором и щетками якоря. Имеются технологические разъемы, позволяющие установить сальники (нужны для подвода силового кабеля). Существуют устройства небольшой мощности. Конструкция такого двигателя допускает вывод обмотки в коробку с клеммами, при этом один из зажимов полюсов и траверса щеток должны находиться в плотной коммуникации в машине. В коробку клемм следует выводить оставшиеся зажимы. Большие силовые агрегаты эксплуатируют в условиях значительного номинального напряжения. Следовательно, отсутствует необходимость в монтаже коробки клемм. Нижний блок станины выступает в виде точки вывода проводки. В случае параллельной системы допустимо использовать силовые кабели. Последовательное соединение предусматривает наличие шин.

Устройство коллекторной машины постоянного тока предусматривает наличие следующих элементов:

1. Блок подшипников: щиты (на них монтируют наружные и внутренние крышки), шарнирные элементы.
2. Узел щеток: кронштейн, держатели, а также сами щетки. Система фиксируется на выпуклости крышки заднего щита. Она необходима для организации подачи энергии к ротору, а также для трансформации тока в якоре.
3. Вентилятор обеспечивает низкую температуру нагрева конструкции во время эксплуатации.
4. Пружины и болты для упрощения погрузки-разгрузки, а также установки двигателя.
5. Лапы для минимизации вибрации во время эксплуатации.
6. Кожух защиты вентилятора, а также кожух вывода обдува.
7. Шильдик с перечнем ключевых параметров.

Способы подключения

Особого внимания заслуживает подключение двигателя постоянного тока к сети 220. На коробке клемм указывается определенная маркировка на основании параметров двигателя. На базе этих данных выбирается способ подключения кабельной системы. Рассмотрим все способы подачи питания более подробно.

Запуск обмотки от независимых источников

Такое устройство функционирует в случае, когда напряжение на обмотке и якорь получают питание энергией от разных источников энергии. В зону размещения силового кабеля подключаются два двужильных провода (серый и синий). Предварительно зачищаются края. Позднее их оснащают наконечниками.

Далее следует начать подключать каждую из жил. Инструкция по коммуникациям между жилами и клеммами представлена во внутренней части коробки клемм. Рекомендуется четко следовать предложенной системе действий. В рассматриваемом случае система выглядит следующим образом:

1. Синяя жила первого провода соединяется с клеммой Н1, а к клемме Н2 подключается серая жила.
2. Синяя жила второго провода сопрягается с клеммой Я2, а к клемме Д2 присоединяют серую жилу.

Последовательное и параллельное возбуждение обмотки

Чтобы подключить такие агрегаты, нужно завести один двужильный кабель (должны быть синяя и серая жилы). Концы зачищаются и оснащаются наконечники. Рассмотрим особенности каждого из них.

Когда идет подключение системы с параллельной активацией обмотки, следует выполнить монтаж перемычек между контактной парой Д2 и Ш1, а также Я2 и Ш2. Соответственно серая жила подключается к клемме Д2, а синий провод соединяется с клеммой Я2. Возможно аналогичное сопряжение с модулями Ш1 и Ш2.

Когда наблюдается последовательная активация сети, ставят перемычку из гибкого материала с обеих сторон клемм С2 и Я2. Силовой кабель с наконечниками подключается так: серый элемент в коммуникации с клеммой Д2 (как и в случае, что описан выше), при этом синий фрагмент подключается к клемме С2.

Особенности функционирования

Принцип действия двигателя постоянного тока кратко - актуальный вопрос, интересующий многих пользователей. Рассмотрим его максимально подробно.

Происходит подача напряжения, начинается процесс циркуляции электричества по проводам обмотки. Можно заметить формирование зоны полярности между смежными полюсами. Образуется определенного рода магнитная система, провоцирующая возникновение магнитного поля. Коллектор передает стабильный поток энергии на якорь, при этом с двух сторон наблюдается коммуникация с созданным магнитным полем. Электромагнитная индукция запускает вращающий момент. Происходит поворот ротора. Активизируется система щеток. Обеспечивается постоянное вращение ротора за счет тесной коммуникации элементов.

В электрическом двигателе якорь может вращаться в любом направлении. Трансформировать обороты можно при помощи простого действия. Достаточно сменить направление тока в обмотке. Для этого меняется полярность питающих жил в коробке клемм. Такого эффекта удается достигнуть за счет перестановки кабеля положительного заряда в отрицательное положение, а отрицательного заряда - в положительное значение соответственно. Новая схема подключения выглядит так: серую жилу соединяют с клеммой Н1 (Я2), а синий провод прикрепляют к клемме Н2 (Д2).

Когда меняются полярные зоны в системе запуска и вращающегося элемента, преобразование движения не наблюдается. Изменения становятся возможны только в случае, когда меняется направление тока в обмотке или якоре. Задачу удается реализовать, когда происходит монтаж подготовленных перемычек между контактной группой С1, Д2, С2. Для этого используется серый кабель. Питание подключается в таком порядке: серая жила подключена к клемме С1, а синяя - к клемме Я2.

Перемычки между клеммами С1, Д2, С2 могут быть смонтированы при помощи синего провода. В этом случае схема подключения силового кабеля выглядит в обратном порядке от схемы, что изложена выше (серый провод соединяют с клеммой Я2, а синий провод сопрягают с клеммой С1).

Двигатель постоянного тока можно переключить в реверс. Для этого рекомендуется менять направление движения электричества в обмотке якоря. Подобное обстоятельство объясняет факт того, что обрыв провода в обмотке возбуждения может спровоцировать критическое увеличение ЭДС. В результате вероятнее всего будет наблюдаться пробой изоляции проводки.

Двигатель постоянного тока - это силовой агрегат, обеспечивающий функционирование электротехнических приспособлений. Выше детально рассмотрены устройство, принцип функционирования, а также способы подключения двигателя. Этот вопрос более детально изложен на видео, где специалисты на наглядном примере демонстрируют все нюансы, что описаны в этой статье.

Устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может использоваться как двигатель или генератор, так как конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) аналогична конструкции генератора. Особенностью ДПТ является механический инвертор (коммутатор). Этот коммутатор имеет скользящие контакты в виде щёток, которые расположены так, что они изменяют полярность обмоток якоря (катушек) во время вращательного движения.

Особенности и устройство ДПТ

ДПТ представляет собой вращающуюся электрическую машину, работающую от постоянного тока. В зависимости от направления потока мощности проводится различие между двигателем (электродвигатель с электрической и механической мощностью) и генератором (электрический генератор, на который подаётся механическая мощность, а также электроэнергия). ДПТ могут запускаться под нагрузкой, их скорость легко изменить. В режиме генератора ДПТ преобразует напряжение переменного тока, подаваемое ротором, в пульсирующее постоянное напряжение.

История изобретения

Основываясь на развитии первых гальванических элементов в первой половине XIX века, первыми электромеханическими преобразователями энергии были машины постоянного тока. Первоначальная форма электродвигателя была разработана в 1829 году, а в 1832 году француз Ипполит Пиксии построил первый генератор. Антонио Пачинотти построил в 1860 году электродвигатель постоянного тока с многокомпонентным коммутатором. Фридрих фон Хефнер-Алтенек разработал барабанный якорь в 1872 году, который открыл возможность промышленного использования в области крупномасштабного машиностроения.

В последующие десятилетия такие машины из-за развития трехфазного переменного тока потеряли свою значимость в крупномасштабном машиностроении. Синхронные машины и системы с низким уровнем обслуживания асинхронного двигателя заменили их во многих устройствах.

Конструкция двигателя

Чтобы понять принцип действия ДПТ, нужно сначала изучить его конструктивные особенности, одной из которых является то, что в магнитном поле постоянного магнита установлен вращающийся проводящий контур.

Упрощая эту структуру, можно сказать, что двигатель состоит из двух основных компонентов:

Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
Проводящая петля (арматура) на сердечнике якоря, обычно состоящая из слоистых металлических листов.

Обе конструкции называются двигателями постоянного тока с внешним возбуждением. Электродинамический закон указывает, что токопроводящая петля проводника в магнитном поле представляет собой силу [F], зависящую от тока [I] и напряжённости магнитного поля [B]. Токопроводящий проводник окружен круговым магнитным полем. Если объединить магнитное поле магнитного поля с магнитным полем проводящей петли, можно обнаружить суперпозицию двух полей, а также результирующий силовой эффект.

Обмотка якоря состоит из двух половин катушки. Если применить напряжение постоянного тока к двум концам обмотки якоря, можно представить, что движущиеся носители заряда поступают в нижнюю половину катушки из верхней половины катушки.

Каждая токопроводящая катушка развивает собственное магнитное поле, и магнитное поле постоянного магнита накладывается на магнитное поле нижней половины катушки и поле верхней половины катушки. Линии поля постоянного магнитного поля всегда одного направления, они всегда показывают с севера на южный полюс. Напротив, поля двух половин катушки имеют противоположные направления.

В левой части поля половины катушки полевые линии поля возбудителя и поля катушки имеют одно и то же направление. Благодаря этому силовому эффекту в противоположном направлении на нижнем и верхнем концах арматуры создаётся крутящий момент, который вызывает вращательное движение якоря.

Якорь представляет собой так называемый двутавровый якорь. Эта конструкция получила название из-за своей формы, которая напоминает два составных «Т». Катушки якоря соединены с платами коммутатора (коллектора). Подача тока в обмотке якоря обычно осуществляется через угольные щётки, которые обеспечивают скользящий контакт с вращающимся коммутатором и подают катушкам электричество. Щётки изготавливаются из самосмазывающихся графитов, частично смешанных с медным порошком для небольших двигателей.

Принцип действия и использование

Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое — электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.

Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.

Настройка скорости

ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:

Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.

В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.

Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

игрушках;
сервомеханических устройствах;
приводах клапанов;
роботах;
автомобильной электронике.

Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.

Сейчас невозможно представить нашу жизнь без электродвигателей. Они приводят в действие станки, бытовую технику и инструменты, поезда, трамваи и троллейбусы, компьютеры, игрушки и разные подвижные механизмы, устанавливаются на производственных станках, если частоту вращения рабочего вала требуется регулировать в широком диапазоне. Агрегаты для преобразования электрической энергии в механическую представлены множеством видов и моделей (синхронные, асинхронные, коллекторные и т.д.). Из этой статьи вы узнаете, что такое электродвигатель постоянного тока, его устройство и принцип действия.

Краткая история создания

Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается. Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б.С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом. Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

На мысль о создании двигателя ученых натолкнуто следующее открытие. Помещенная в магнитное поле проволочная рамка с пропущенным по ней током начинает вращаться, создавая механическую энергию. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю. Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока.

Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается.

Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах).

Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников. Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно. Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее).

Устройство электродвигателя постоянного тока

Теперь, когда вы знаете, как работает электродвигатель постоянного тока, пора ознакомиться с его конструкцией.

Как и у других моделей, основу двигателя составляют статор (индуктор) - неподвижная часть, и якорь вкупе с щеточноколлекторным узлом - подвижная часть. Обе части разделены воздушным зазором.

В состав статора входят станина, являющаяся элементом магнитной цепи, а также главные и добавочные полюса. Обмотки возбуждения, необходимые для создания магнитного поля, находятся на главных полюсах. Специальная обмотка, улучшающая условия коммутации, расположена на добавочных полюсах.

Якорь представляет собой узел, состоящий из магнитной системы (она собрана из нескольких листов), набора обмоток (проводников), уложенных в пазы, и коллектора, который подводит постоянный ток к рабочей обмотке.

Коллектор имеет вид цилиндра, собранного из изолированных медных пластин. Он насажен на вал двигателя и имеет выступы, к которым подходят концы секций обмотки якоря. Щетки снимают ток с коллектора, входя с ним в скользящий контакт. Удержание щеток в нужном положении и обеспечение их нажатия на коллектор с определенной силой осуществляется щеткодержателями.

Многие модели двигателей оснащены вентилятором, задача которого - охлаждение агрегата и увеличение продолжительности рабочего периода.

Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока позволяют широко использовать это устройство в самых разных сферах - от бытовых приборов до транспорта. К его преимуществам можно отнести:

Экологичность. При работе не выделяются вредные вещества и отходы.
Надежность. Благодаря довольно простой конструкции он редко ломается и служит долго.
Универсальность. Он может использоваться в качестве как двигателя, так и генератора.
Простота управления.
Возможность регулирования частоты и скорости вращения вала - достаточно подключить агрегат в цепь переменного сопротивления.
Легкость запуска.
Небольшие размеры.
Возможность менять направление вращения вала. В двигателе с последовательным возбуждением нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения, во всех остальных типах - в якоре.

Как и любое устройство, электродвигатели постоянного тока имеют и «слабые стороны»:

Их себестоимость, следовательно, и цена достаточно высока.
Для подключения к сети необходим выпрямитель тока.
Самая уязвимая и быстроизнашивающаяся деталь - щетки - требует периодической замены.
При сильной перегрузке может случиться возгорание. Если соблюдать правила эксплуатации, такая возможность исключена.

Но, как видите, достоинства явно перевешивают, поэтому на данный момент электродвигатель является одним из наиболее экономичных и эффективных устройств. Зная устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, вы сможете самостоятельно собрать и разобрать его для техосмотра, чистки или устранения неисправностей.

Читайте также: