какую функцию выполняет якорь двигателя постоянного тока
Якорь — сердце электродвигателя, его мощность и рабочие показатели.
Якорь — важнейшая часть любого электродвигателя. Именно он производит крутящий момент механизма. Ток нагрузки обмотки производит электродвижущую силу вращения. Якорь имеет постоянные составные элементы, конструкция отличается лишь типом двигателя: постоянного тока или переменного.
СОДЕРЖАНИЕ:
2. Из истории электромеханики.
3. Устройство якоря электродвигателя постоянного тока.
4. Остальные части конструкции ДПТ. Типы электродвигателей.
5. Принцип работы двигателя постоянного тока.
6. Электродвижущая сила.
7. Регулировка скорости вращения.
8. Шунтирование якоря.
11. Электродвигатель с полым и дисковым якорем.
12. Ротор бесколлекторного двигателя.
13. Якорь двигателя переменного тока.
14. Потери электрические и механические.
15. Плановая очистка якоря.
16. Определение поломок.
17. Перемотка якоря. Этапы и особенности.
18. Балансировка якоря.
ВВЕДЕНИЕ.
Важный структурный компонент электрического привода дал существования невероятному количеству техники. Именно она приносит нашей жизни комфорт, облегчает труд, помогает путешествовать и отдыхать. Без электрооборудования вообразить современный мир невозможно. Редуктора ставят на транспорт: поезда, трамваи, троллейбусы. Мощные станки занимают огромные заводские помещения. Бытовая техника, инструмент для сильной половины человечества — все работает, благодаря двигателю. При необходимости обеспечить постоянную скорость движения применяют электродвигатели постоянного тока, обладающего высокой мощностью, плавным пуском, отсутствием реактивного сопротивления. Что за важная часть? Она называется «ротор» или «якорь». Некоторые особенности устройства присущи различным машинам, но об этом чуть ниже.
ИЗ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ.
Немного предистории. Первым электрическим движком считают незатейливую конструкцию британского физика Майкла Фарадея. Позже, он открыл магнитную индукцию замкнутого контура. 1822 — год открытия магнитного эффекта соленоида. Для усиления потока французский ученый Андре Мари Ампер предложил поместить железный фрагмент внутрь катушки. Лондон, 1833 год. Уильям Стерджен показал публике устройство на непрерывном токе. Это приспособление стало первым эксплуатационно задействованным.
Спустя год, физик академии наук Санкт-Петербурга Б. Якоби изобрел привод с непосредственным вращением рабочего вала. Это событие стало сенсационным прорывом, произведшим фурор! Более ранние устройства содержали якорь качения или возвратно-поступательного движения. Якоби установил на катер с лопастными колесами мотор, подсоединенный к гальваническим батареям. На борт поднялись шестнадцать пассажиров. Лодка развила скорость даже против ветра.
Важной страницей истории механики стало появление кольцевого якоря итальянца Пичинотти. Следующим этапом стало открытие эффекта самовозбуждения. Американский выдумщик, экспериментатор Томас Девенпорт, благодаря своим опытам создал первый электромотор. Конец восьмидесятых годов 19 века отметился появлением ротора по типу “беличьей клетки”.1886 год ознаменовался появлением двигателя, давшим характерные особенности современным аппаратам.
Начало 20 века стремительно развивает и совершенствует электротехнику.. Спустя десятилетия появляется якорь различных конструкций.
УСТРОЙСТВО ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Сперва быстренько уясним суть устройства. Общее строение ДПТ неизменно. Основные части механизма — якорь, статор, коллектор и щетки. Якорь — движимая деталь, представлен медной обмоткой, преобразует электрическую энергию в механическую. Подает электричество из сетевого источника — в двигателе, и снимает разницу потенциалов в генераторе. Статор — исходник образования статичного Ф. Большинство приводов работает, основываясь сменой полярности: притяжения-отталкивания. Этот принцип используется поныне. Направление поля определяют по правилам «буравчика», «правой руки» для генераторов, «левой руки» для двигателей.
Якорь отвечает за несколько функций. Продуцируют магнитное поле, которое, взаимодействуя с Ф конденсатора, задает движение. Передает крутящий момент на вал. Конструктивно объединяет четыре компонента: вал, сердечник, обмотка, коллекторно-щеточный узел.
Коллектор питается из сети через щетки. Они дают скользящий контакт, со временем изнашиваются, вследствие требуют замены. Одна из щеток всегда присоединена к плюсовому проводнику, вторая — минусовому. Коллектор, собранный из полуколец ферромагнетика, разделенных воздушными зазорами. Является преобразователем. Имеет специальные выступы, куда припаивается намотка. Это дорогостоящий, склонный поломке элемент. На нем образуется искрение при выходе из строя контактного графитового узла, сильно засоряется, что доставляет более серьезные разрушения вплоть до обрывного замыкания медного каркаса, снижая срок службы устройства. Чтобы не было стопорения необходим беспрерывный реверс электронов. Коллектор укомплектованный медными изолированными полукольцами, требует к себе внимания.
Основной полюс собран стальными пластинками. В моторах небольших габаритов полностью сделан из константных магнитов.
Подробное описание устройства.
Вал — несущий стержень из электротехнической стали высокой прочности. Держит все остальные детали. По обоим концам располагает канавками под подшипники. Более длинный конец передает крутящий момент механизму.
Сердечник — сборный барабан штампованных стальных дисков, лакированных или обособленных диэлектриком против воздействия вредных вихрей Фуко. Пластины насажены непосредственно на вал, имеют выемки для скрепления сердечника и вала шпильками. Комплект балансирует на опорных роликах. Листовой пакет прессуют, стягивая спицами, обеспечивают целостность, а еще механическую жесткость конструкции, предотвращает блок от проворачивания. Штампованные боковые пазы заполняют проводники. Торцовые отверстия выполняют различной формы: овальные, прямоугольные, открытые, закрытые.
Обмотка является медной проволокой круглого, можно прямоугольного сечения, покрытой лаком или эпоксидной смолой для изоляции и предупреждения межвитковых замыканий. Штабелевка выполняется двуслойно, равноценно распределяясь по всей поверхности барабана. Ее части, выходящие на коллектор, фиксируются бандажами (кольцами изоляции). Пакет продуцирует ЭДС, проводит электричество. Сейчас практикуют несколько видов слоения спиралей: петлевая намотка — простая, сложная, двухволновая: простая, сложная; комбинированная (“лягушачья”).
Объединенный чертеж соединения — плоская развернутая схема всех узлов. Все пазы, отдельные секции нумеруются по порядку. Размещение точек плюс-минус считают непосредственно за блоками. Всегда указывается позиция щеток на коллекторных кольцах: их располагают строго под серединой полюсов. Активные проводники рисуются сплошной линией, пассивные, где низ паза — пунктиром. Прежде, чем выполнять чертеж, целесообразно предварительно составить сводную таблицу соединений.
Активные стороны пакета образуют секции, равные количеству пазов, они помещаются под соседними полюсами, их смежные концы пересекаются. Каждой секции соответствует одно коллекторное кольцо. Создается компактный набор замкнутокольцевого контура. Шаг сегмента соответствует N-S делению. Процесс переключения одной спирали на другой обусловливает обратный ход тока, создавая дополнительную ЭДС цепи.
ОСТАЛЬНЫЕ ЧАСТИ КОНСТРУКЦИИ ДПТ. ТИПЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.
Обмотка возбуждения (конденсатор) Индукторные полюса устанавливаются непосредственно в корпус аппарата. В крупногабаритных конструкциях ставят цельный добавочный полюс с лакированной катушкой Для мелкоразмерных он не применяется. Эти компоненты призваны улучшать движение заряженных частиц, расположены между основными N-S.
Корпус чаще всего отливают из чугуна. Этот металл износостойкий. Коррозийно-устойчивый, обладает высокой сопротивляемостью опасным условиям. Для лучшего охлаждения системы корпус дополнен вентиляционными отверстиями. Каркас дополняется цельнолитыми ушками для удобной транспортировки, погрузки, установки. Концы полюсных витков выводят в распределительный блок.. Сюда же подключают концы обмоток статора, зажимы подключения щеток.
Через одно или пару отверстий прокладываются провода питания. В крупногабаритных машинах, где сила тока большая, коробка не ставится, а провода крепят к нижней части стойки. Якорь устанавливается в статор. Передняя и задняя покрышки закрывают тулово мотора. Изнутри к ним прикрепляются заглушки подшипников. Задний колпак удерживает щеточный контакт, состоящий из подпорки, фиксатора, фрагментов графита или металло-графита. Контакт подводит электроэнергию к роторным катушкам.
Вал удерживает крыльчатку охлаждения. Упакованная конструкция ставится на опоры. Станина снижает уровень вибрации. Фюзеляж дополнительно оснащается металлическими обшивками: защитной вентиляционной и выходной воздушной. Корпус оснащается шильдиком — табличкой с основными характеристиками мотора.
ДПТ бывают параллельного, последовательного, независимого видов активации. От этого зависит маркировка контактов внутри распределительной монтажной коробки.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Специфика работы ДПТ. Во время подачи напряжение ток сети идет по намотке индуктора. Соседние полюса образуют обратную полярность и, как следствие, стабильное магнитное поле. На ротор через ламели идет регулярный электрический ток, который подвергается действию электромагнитной индукции статора. Появляется момент вращения. Далее, щеточно-коллекторный контакт координирует электроны роторного мотка. Движение продолжается.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА.
Направление тока определяется по правилу “правой руки” ( для генератора применяется правило «левой руки). Располагаем ладонь правой руки перпендикулярно силовым линиям, большой палец задает направление проводника, результат — остальные пальцы укажут маршрут электронов. Используется для выявления вектора также “правило буравчика”: при вкручивании буравчика по направлению тока, рукоятка будет вращаться вдоль вектора индукции. Движущая сила обратна Ф. Поэтому ее нередко именуют противо-ЭДС. Мгновенное значение ЭДС является суммой мгновенных значений всех сил проводников. Пропорционально зависима от основной МДС, частоты вращения. Выбор курса меняет знак мощности (положительный, отрицательный).
При плюсовом значении агрегат выполняет функцию редуктора или тормозной системы, расходуя энергию источника питания. Во время минусового — генератором, возвращая ее сети обратно (режим рекуперации).
РЕГУЛИРОВКА СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ.
Ступенчатое изменение Ф придает плавный пуск. Этот способ вспомогательный, дает рост скорости при работе машины вхолостую. Управление U не дает дополнительных потерь ваттности цепи якоря. Так как характеристики регулировки всегда жесткие, работа остается стабильна на всех оборотах. Это дает возможность ее варьирования в широких диапазонах в обе стороны. За счет применения специальных схем размах может быть расширен еще больше. Скоростная координация оценивается плавностью изменения числового значения, широтой охвата регулировки от максимальных.
От номинальной скорости зависит действующая быстрота электромотора. Широтно-импульсный корректор автоматически управляет ротором. Легко получается достичь плавного варьирования оборотов в широком диапазоне, что является неоспоримым достоинством. Крутящий период редукторов параллельного активирования меняет реостат.
ШУНТИРОВАНИЕ ЯКОРЯ.
Шунтирование якоря — метод комбинированный: совместно регулируется напряжение и проводится реостатный контроль. Модель запускают при малых скоростях. Максимальное вольтаж на якоре соответствует предельно допустимой частоте вращения вала. Прием переводит машину в режим рекуперации. Для ускорения некоторого места выполняют шунтирование обмоток статора.
РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ.
Воздействие собственного магнитного поля ротора на главное импульсное обозначена как реакция якоря. Выступает негативным аспектом. Кроме смещения нейтральной линии, реакция смещает общий Ф из-за его искривления под основными полюсами. На одной стороне оно уменьшается, другая сторона отличается ростом.
Эффективнейшим методом снижения реакции является добавление компенсационной обмотки в цепь якоря двигателя. Ее укладывают в специальные зазоры, включают последовательно. Дуга компенсационных витков направлена встречно полю каркаса, тем самым создавая равновесие. Их амперажи равны, поэтому уравновешивание отслеживает все режимы работы: от холостого хода до максимальной мощности. Добавочное покрытие стоит дорого, отчего снабжает редуктора средней, высокой ваттностей.
Компенсирование достигается другим образом: увеличением зазора между краями основных точек N, S с ротором. Прием материалозатратен, но значительно увеличивает массо-габариты конструкции. В микроприводах реакцию компенсируют люксацией каждой щетки относительно физической нейтрали.
КОММУТАЦИЯ.
Коммутация — совокупность поочередных процессов включения, переключения, выключения сегментов катушки. Процедура сопровождается изменением направления тока на противоположное. Иногда отмечается искрение, обуславливая быстрый износ графитовых щеток и повреждение коллекторного узла.
Введение добавочных полюсов улучшает коммутацию якоря, увеличивает тяговую нагрузку электромашины, уменьшает негативное влияние якорной реакции.
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С ПОЛЫМ И ДИСКОВЫМ ЯКОРЯМИ.
В автоматике широко распространены 2 типа малоинерционных ДПТ с полым якорем, печатной обмоткой Такой ставят в радиоуправляемые модели, они экономичны, за счет материала исполнения не имеют потерь стали. Полый якорь представлен пустым проволочным медным барабаном, окруженным пластмассой. Кабель укладывается по методу немецкого изобретателя Фрица Фаульхабера. Именно он в 1959 году запатентовал подобную намотку без установки металлического сердечника. Подобная конструкция дала возможность получить высокие тяговые показатели при малых размерах прибора. Разработка привела к сокращению электромеханической постоянной. В физическом смысле это время, требуемое для разгонки машины от неподвижного положения до скоростного набора при стойком моменте на штуцере.
Подобно устройству привычных бесколлекторных машин полый якорь предусматривает статичный магнит. Концы секций крепят к ламелями. Коллектор составляет часть дна полого стакана. Малый момент инерции, быстрый плавный пуск являются заметным преимуществом.. Недостатком выступает большой воздушный зазор, что требует значительного повышения МДС. Важное отличительное качество подобных редукторов — отсутствие искрения, как итог, стирания графитовых узлов, длительный срок службы машины.
Дисковый сделан из диэлектрического материала. Стороны электрохимически или методом травления фольги оснащаются плоскими (печатными) обмотками. Щетки непосредственно с ней контактируют. Период эксплуатации подобных элементов мал. Нагрузка деформирует диск. Концы секций, выведенные на коллектор, удваивают срок службы. Метод комплектации печатного покрытия аналогичен дисковому. Вставленный внутрь каркаса ферромагнит снижает сопротивление.
Двигатель постоянного тока с полым якорем не диковинка. При необходимости, легко подвергается замене.
РОТОР БЕСКОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ.
У бесколлекторного ДПТ ротор — массивное кольцо тонких проводников электротехнической стали, плотно прилегающих друг к другу по всей внешней поверхности. Шплинт ставят на подшипники. Взаимодействие обоих магнитов дает поворот. Трения за счет материала изготовления нет. ЭДС односторонняя. Положение катушки мониторит установленный датчик. Технологичная конструкция определяет высокую стоимость. Огромный КПД плюс надежность — достойная компенсация вложенных средств.
ЯКОРЬ ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Тип механизма — синхронного и асинхронного — меняет конструкцию обмоток ротора. Источник возбуждения тому причина. В синхронной машине, обусловленной наличием, якорь без коллектора. Выполнен из цельного куска металла. В асинхронном двигателе, где собственного блока вихревого поля нет, строение отличается: составлен из дисковых листов электротехнической стали. Металлические слои не изолированы. Крепление сердечника аналогично посадке роторных пластин на вал якоря ДПТ. Витки возбуждения периферийно расположены на статоре и подключены к трехфазной сети. Структурные виды.- изолированные секции, катушки;-неизолированные стержни, замкнутые кольцами накоротко.
ПОТЕРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ.
Процесс преобразования энергии сопровождают потери. Физические обоснованы изменением напряжения. Магнитные появляются из-за вихревых столбов Фуко. Электропотери встречаются в цепях конденсатора и медной клетени. Потери определяются произведением квадратного значения ампеража на суммарное сопротивление проволочного клубка. Механические зависят от сил трения между элементами. Потери технические неподвластны передаче вольтовой нагрузки. Расчет технологических потерь проводится соответственно установленному регламенту.
ПЛАНОВАЯ ОЧИСТКА ЯКОРЯ.
По истечении определенного периода промышленной эксплуатации производится плановая разборка техники и периодическая обработка деталей от пыли и загрязнений. Демонтаж делают последовательно, аккуратно. После разбора агрегата якорь передается на очистительные линии. Крепится специальным подъемником и через сопла под давлением обдается сухим сжатым воздухом. Дальше пыль убирается пылесосами. Ротор снимают, после передают на смотровой стеллаж.
Визуально тщательно проверяют систему на факт повреждений. Сердечник протирается ветошью, смоченной бензином, остальные элементы очищают сухой салфеткой, просушивают. Затем, мегомметром измеряют сопротивление изоляции. Выясняют исправность, далее производят установку.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОМОК.
Причинами перебоя работы выступают скачки напряжения в сети, долгое применение техники при условиях сверхнагрузки и высокой влажности среды. Искрение, горелый запах должны насторожить: возможна поломка. Проверка неисправностей стартует с внешнего визуального осмотра. Механизм отключают от питания. Рассматривают корпус и кабель на наличие механических повреждений. Поиск пробоя осуществляют тестером. Технику разбирают дальше, смотрят внутри.
Если поверхность лишена дефектов, используют спецаппаратуру для обнаружения межвитковых разрывов — трансформатор с разомкнутым магнитопроводом. Мультиметром прозванивают вывод статора на коллекторные кольца. Мегомметром измеряют сопротивление между телом сердечника и ламелями. Проверяют состояние цепи на выходе катушки. Одинаковые показатели на всех областях отрицают внутренние неполадки. Обнаружение разрывов требует капитальный ремонт.
ПЕРЕМОТКА ЯКОРЯ, ЭТАПЫ И ОСОБЕННОСТИ.
Перемотка якоря предусматривает полную замену ферромагнитной проволоки, состоит из нескольких этапов. Эту процедуру принято считать довольно сложной, она требует определенного умения, усидчивости и траты времени. Если вы совсем новичок, вдруг не располагаете достаточным количеством времени, перемотку лучше доверить специалисту. Еще один вариант — купить новый, предварительно воспользовавшись помощью консультанта, подходящую модель.
Подготовительный этап:
1. Разборка аппарата. Первым делом устройство отключают от сети. Изымают двигатель, снимают защитный каркас и приступают к непосредственному демонтажу. Убирают крыльчатку вентилятора, боковые крышки, снимают подшипники и непосредственно достают якорь. Чтобы облегчить и ускорить процесс разборки следует применить специальный съемник. Аккуратно очищают коллектор. Его оставляют на месте.
2. Далее режущим инструментом стягивают изоляционное покрытие.
3.Обращают внимание на последнюю свивку, она не перекрывается другими. Если шаг левосторонний, первый паз расположен левее последнего мотка, если правосторонний — справа. Отмечают его. Кусачками отделяют концы припаянной проволоки. Возможно применить зубило, но отбивать следует очень аккуратно, чтобы избежать повреждений. Снимая штабелевку четко запоминают этапы разбора, чтобы впоследствии избежать ошибок. Можно фотографировать или производить записи. При укладке стадии демонтажа следует повторить в обратном порядке.
4. Производят подсчет витков, прорезей, ламелей.
5. Составляющие тщательным образом очищают от нагара, пыли, загрязнений и лакового покрытия. Щеткой очищают зазоры. Неровности зачищают наждачной бумагой. Вырезают из диэлектрического материала гильзы по размеру и количеству пазов.
Непосредственный монтаж.
Подготавливают медный кабель без лакового покрытия. Выбор сечения обязан соответствовать техпаспорту изделия. Если такового не оказалось, существуют справочные таблицы подбора соответственно марке механизма.
Выбирается направление укладки секций и вручную строго по заводской технологии скручивается намотка якоря. Конец сборки заключается тугой обвязкой хлопчатобумажным шнуром. Веревку выбирают именно из натурального материала, т. к. синтетическая нить при нагреве расплавится.
Далее, якорь греется до 50 градусов и опускается в достаточную для полного погружения емкость с лаком или эпоксидной смолой. Обычная заливка нецелесообразна, так как оставляет достаточно большое количество пустот. Достаем, даем возможность эмали стечь. Кладем сушить. Для ускорения сушки можно применить обычную духовку при 80 градусах на 20 часов.
Перемотка считается законченной. Следом, тестируют обрыв цепи, присутствие зон замыкания. Если есть сомнения, можно провести повторную контрольную проверку. Заключительный этап — установка детали на законное место. Своевременная плановая проверка, очистка деталей предотвращает непредвиденные поломки, сможет продлить срок эксплуатации аппарата.
БАЛАНСИРОВКА ЯКОРЯ.
Балансировка применяется для плавной и исправной работы после ремонта. На производстве ее выполняют на специальных динамических станках. В домашних условиях сооружают простую конструкцию. Берут два чисто обработанных стальных лезвия. Ставят параллельно на жестком основании. Концы направлены вверх. Расстояние между клинками соответствует длине якоря. Деталь помещают на лезвие и наблюдают ее перемещение. По законам физики более тяжелая сторона опускается вниз. Задача центровки состоит в перемещении центра тяжести ближе с оси. Если вал проворачивается, на более легкую сторону добавляется вес. Груз кладется до тех пор, пока ось не достигнет равновесия и остановится. Поклажа снимается, взвешивается. Берут кусок металла, равный по весу и припаивают на более легкую сторону. Равномерная механическая нагрузка сделает работу бесперебойной. Центровка снизит вибрацию и перегрев.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Без якоря любой мотор, будь то переменного или стабильного ампеража, работать не может. Электротехника, автомобили, бытовые устройства, инструмент, подъемные установки, канатные дороги — все работает на его основе. Контролируя период эксплуатации, мы контролируем и потенциальный износ деталей. Плановый осмотр, своевременная замена трущихся звеньев, соблюдение технических условий дадут долгосрочную, надежную, безопасную технику.
Электрический двигатель постоянного тока
Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.
Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.
Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.
Устройство и описание ДПТ
Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.
Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:
Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.
Статор (индуктор)
В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.
Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:
Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.
Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ
У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.
Ротор (якорь)
В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.
В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.
Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.
Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками 
Рисунок 4. Якорь со многими обмотками
Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.
Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем
Коллектор
Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.
Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.
Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.
В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.
Принцип работы
Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:
F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.
Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.
Рис. 6. Принцип работы ДПТ
Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.
Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.
Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.
Типы ДПТ
Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.
Рассмотрим основные отличия.
По наличию щеточно-коллекторного узла
Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.
Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.
В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.
По виду конструкции магнитной системы статора
В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.
О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.
Управление
Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.
Механическая характеристика
Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.
Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения
Регулировочная характеристика
Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.
Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.
Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением
Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.
Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.
Области применения
Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:
Преимущества и недостатки
К достоинствам относится:
У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.
Недостатки:
По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.