Двигун постійного струму: принцип дії. Двигун постійного струму: пристрій

Першою з усіх винайдених в 19 столітті обертових електромашин є двигун постійного струму. Принцип дії його відомий з середини минулого століття, і до теперішнього часу двигуни постійного струму (ДПС) продовжують вірно служити людині, приводячи в рух безліч корисних машин і механізмів.

Перші ДПТ

Починаючи з 30-х років 19 століття у своєму розвитку вони пройшли кілька етапів. Справа в тому, що до появи наприкінці позаминулого століття машинних генераторів змінного струму єдиним джерелом електроенергії був гальванічний елемент. Тому всі перші електродвигуни могли працювати тільки на постійному струмі.

Яким же був перший двигун постійного струму? Принцип дії і пристрій двигунів, що будувалися в першій половині 19 століття, був наступним. Явнополюсний індуктор представляв собою набір нерухомих постійних магнітів або стрижневих електромагнітів, що не мали загального замкнутого магнітопровода. Явнополюсний якір утворювали кілька окремих стрижневих електромагнітів на загальній осі, що приводяться в обертання силами відштовхування і притягання до полюсів індуктора. Типовими їх представниками були двигуни У. Річчі (1833) і Б. Якобі (1834), оснащені механічними комутаторами струму в електромагнітах якорях з рухомими контактами в ланцюзі обмотки якоря.

Як працював двигун Якобі

Який же був у цієї машини принцип дії? Двигун постійного струму Якобі і його аналоги володіли пульсуючим електромагнітним моментом. Протягом часу зближення різнойменних полюсів якоря і індуктора під дією магнітної сили тяжіння момент двигуна швидко досягав максимуму. Потім, при розташуванні полюсів якоря навпроти полюсів індуктора, механічний комутатор переривав струм в електромагнітах якоря. Момент падав до нуля. За рахунок інерції якоря і приводиться в рух механізму полюси якоря виходили з-під полюсів індуктора, в цей момент в них від комутатора подавався струм протилежного напрямку, їх полярність також змінювалася на протилежну, а сила тяжіння до найближчого полюсу індуктора змінювалася на силу відштовхування. Таким чином, двигун Якобі обертався послідовними поштовхами.

З'являється кільцевої якір

У стрижневих електромагнітах якоря двигуна Якобі струм періодично вимикався, створюване ними магнітне поле зникало, а його енергія перетворювалася на теплові втрати в обмотках. Таким чином, електромеханічне перетворення електроенергії джерела струму якоря (гальванічного елемента) в механічну відбувалося в ньому з перервами. Потрібен був двигун з безперервною замкнутою обмоткою, ток в якій протікав би постійно протягом усього часу його роботи.

І такий fuhtufn був створений в 1860 році А. Пачинотті. Чим же відрізнявся від попередників його двигун постійного струму? Принцип дії і пристрій двигуна Пачинотті наступні. В якості якоря він використовував сталеве кільце зі спицями, закріплене на вертикальному валу. При цьому якір не мав явно виражених полюсів. Він став неявнополюсним.

Між спицями кільця були намотані котушки обмотки якоря, кінці яких з'єднувалися послідовно на самому якорі, а від точок з'єднання кожних двох котушок були зроблені отпайки, приєднані до пластин колектора, розташованим уздовж окружності внизу вала двигуна, число яких дорівнювало числу котушок. Вся обмотка якоря була замкнута сама на себе, а послідовні точки з'єднання її котушок приєднувалися до сусідніх пластин колектора, по яких ковзала пара токоподводящих роликів.

Кільцевій якір був поміщений між полюсами двох нерухомих електромагнітів індуктора-статора, так що силові лінії створюваного ними магнітного поля збудження входили в зовнішню циліндричну поверхню якоря двигуна під північним полюсом збудження, проходили по кільцевому якоря, що не переміщаючись у внутрішнє його отвір, і виходили назовні під південним полюсом.

Як працював двигун Пачинотті

Який же у нього був принцип дії? Двигун постійного струму Пачинотті працював точно так само, як і сучасні ДПТ.

У магнітному полі полюса індуктора з даною полярністю завжди знаходилося певне число провідників обмотки якоря зі струмом незмінного напрямку, причому напрямок струму якоря під різними полюсами індуктора було протилежним. Це досягалося розміщенням токоподводящих роликів, що грають роль щіток, в просторі між полюсами індуктора. Тому миттєвий струм якоря втікав в обмотку через ролик, пластину колектора й приєднаної до неї отпайку, яка також перебувала в просторі між полюсами, далі протікав в протилежних напрямках по двох полуобмоткі-гілкам, і нарешті витікав через отпайку, пластину колектора і ролик в іншому межполюсние проміжку. При цьому самі котушки якоря під полюсами індуктора мінялися, але напрямок струму в них залишалося незмінним.

За законом Ампера, на кожен провідник котушки якоря зі струмом, що знаходиться в магнітному полі полюса індуктора, діяла сила, напрямок якої визначається за відомим правилом «лівої руки». Щодо осі двигуна ця сила створювала обертаючий момент, а сума моментів від усіх таких сил дає сумарний момент ДПТ, який вже при кількох пластинах колектора є майже постійним.

ДПТ з кільцевим якорем і граммовской обмоткою

Як це часто траплялося в історії науки і техніки, винахід А. Пачинотті не знайшло застосування. Воно було на 10 років забуте, поки в 1870 році його незалежно не повторив франко-німецький винахідник З. Грам в аналогічної конструкції генератора постійного струму. У цих машинах вісь обертання вже була горизонтальної, використовувалися вугільні щітки, що ковзають по пластин колектора майже сучасної конструкції. До 70-м рокам 19 століття принцип оборотності електромашин став вже добре відомий, а машина Грамма використовувалася як генератор і двигун постійного струму. Принцип дії його вже описаний вище.

Незважаючи на те, що винахід кільцевого якоря було важливим кроком у розвитку ДПТ, його обмотка (названа граммовской) мала істотний недолік. У магнітному полі полюсів індуктора знаходилися тільки ті її провідники (звані активними), які лежали під цими полюсами на зовнішній циліндричній поверхні якоря. Саме до них були прикладені магнітні сили Ампера, що створюють обертаючий момент щодо осі двигуна. Ті ж неактивні провідники, що проходили через отвір кільцевого якоря, не брали участь у створенні моменту. Вони тільки марно розсіювали електроенергію у вигляді теплових втрат.

Від кільцевого якоря до барабанного

Усунути цей недолік кільцевого якоря вдалося в 1873 році відомому німецькому електротехніку Ф. Гефнер-Альтенек. Як же функціонував його двигун постійного струму? Принцип дії, пристрій його індуктора-статора такі ж, як у двигуна з кільцевою обмоткою. А ось конструкція якоря і його обмотка змінилися.

Гефнер-Альтенек звернув увагу, що напрямок струму якоря, що випливає з нерухомих щіток, в провідниках граммовской обмотки під сусідніми полюсами збудження завжди протилежно, тобто їх можна включити до складу витків розташованої на зовнішній циліндричній поверхні котушки з шириною (кроком), рівним полюсного поділу (частини окружності якоря, що припадає на один полюс збудження).

У цьому випадку стає непотрібним отвір в кільцевому якоря, і він перетворюється на суцільний циліндр (барабан). Така обмотка і сам якір отримали найменування барабанних. Витрата міді в ній при однаковому числі активних провідників набагато менше, ніж у граммовской обмотці.

Якір стає зубчастим

У машинах Грамма і Гефнер-Альтенек поверхню якоря була гладкою, а провідники його обмотки розташовувалися в зазорі між ним і полюсами індуктора. При цьому відстань між увігнутою циліндричною поверхнею полюса збудження і опуклою поверхнею якоря сягала кількох міліметрів. Тому для створення потрібної величини магнітного поля турбувалися застосовувати котушки збудження з великою магніторушійної силою (з більшим числом витків). Це істотно збільшувало габарити і вага двигунів. Крім того, на гладкій поверхні якоря його котушки було важко кріпити. Але як же бути? Адже для дії на провідник зі струмом сили Ампера він повинен знаходитися в точках простору з великою величиною магнітного поля (з великою магнітною індукцією).

Виявилося, що це не є необхідним. Американський винахідник кулемета Х. Максим показав, що якщо виконати барабанний якір зубчастим, а в утворилися між зубцями пази помістити котушки барабанної обмотки, то зазор між ним і полюсами збудження можна зменшити до часток міліметра. Це дозволило істотно зменшити розміри котушок збудження, але крутний момент ДПТ анітрохи не зменшився.

Як же функціонує такий двигун постійного струму? Принцип дії заснований на тому обставину, що при зубчастому якорі магнітна сила прикладена ні до провідникам в його пазах (магнітне поле в них практично відсутній), а до самих зубцях. При цьому наявність струму в провіднику в пазу має вирішальне значення для виникнення цієї сили.

Як позбулися вихрових струмів

Ще одне найважливіше удосконалення вніс знаменитий винахідник Т. Едісона. Що ж додав він в двигун постійного струму? Принцип дії залишився незмінним, а от матеріал, з якого зроблений його якір, змінився. Замість колишнього масивного він став шихтованим з тонких електрично ізольованих один від одного сталевих листів. Це дозволило зменшити величину вихрових струмів (струмів Фуко) в якорі, що збільшило ККД двигуна.

Принцип дії двигуна постійного струму

Коротко його можна сформулювати так: при підключенні обмотки якоря порушеної двигуна до джерела живлення в ній виникає великий струм, званий пусковим і перевищує в кілька разів його номінальне значення. Причому під полюсами збудження протилежної полярності напрямок струмів в провідниках обмотки якоря так само протилежно, як показано на малюнку нижче. Згідно з правилом "лівої руки", на ці провідники діють сили Ампера, спрямовані проти годинникової стрілки і захопливі якір в обертання. При цьому в провідниках обмотки якоря наводиться електрорушійна сила (противо-ЕРС), спрямована зустрічно напрузі джерела живлення. У міру розгону якоря зростає і противо-ЕРС в його обмотці. Відповідно, струм якоря зменшується від пускового до величини, що відповідає робочій точці на характеристиці двигуна.

Щоб підвищити швидкість обертання якоря, потрібно або збільшити струм в його обмотці, або знизити противо-ЕРС в ній. Останнього можна домогтися, зменшивши величину магнітного поля збудження шляхом зниження струму в обмотці збудження. Даний спосіб керування швидкістю ДПТ набув широкого поширення.

Принцип дії двигуна постійного струму з незалежним збудженням

З приєднанням висновків обмотки збудження (ОВ) до окремого джерела електроживлення (незалежна ОВ) зазвичай виконуються потужні ДПТ, щоб було більш зручно регулювати величину струму збудження (з метою зміни швидкості обертання). За своїми властивостями ДПТ з незалежною ОВ практично аналогічні ДПТ з ОВ, паралельно підключається до обмотки якоря.

Паралельне збудження ДПТ

Принцип дії двигуна постійного струму паралельного збудження визначається його механічною характеристикою, тобто залежністю швидкості обертання від моменту навантаження на його валу. Для такого двигуна зміна швидкості при переході від холостого обертання до номінального моменту навантаження становить від 2 до 10%. Такі механічні характеристики називаються жорсткими.

Таким чином, принцип дії двигуна постійного струму з паралельним збудженням обумовлює його застосування в приводах з постійною швидкістю обертання при великому діапазоні зміни навантаження. Однак він широко використовується і в регульованому електроприводі зі змінною швидкістю обертання. При цьому для регулювання його швидкості може застосовуватися зміну як струму якоря, так і струму збудження.

Послідовне збудження ДПТ

Принцип дії двигуна постійного струму послідовного збудження, як і паралельного, визначається його механічною характеристикою, яка в цьому випадку є м'якою, тому частота обертання двигуна значно варіюється при змінах навантаження. Де ж найвигідніше застосовувати такий двигун постійного струму? Принцип дії жд тягового двигуна, швидкість якого повинна зменшуватися при подоланні складом підйомів і повертатися до номінальної при русі по рівнині, повністю відповідає характеристикам ДПТ з ОВ, послідовно з'єднаної з обмоткою якоря. Тому значна частина електровозів у всьому світі оснащена такими пристроями.

Принцип дії двигуна постійного струму з послідовним збудженням реалізують також тягові двигуни пульсуючого струму, які представляють собою, по суті, ті ж ДПТ з послідовною ОВ, але спеціально сконструйовані для роботи з випрямленою вже на борту електровоза струмом, що має значні пульсації.