Трудно даже представить, как выглядел бы современный мир без электродвигателя постоянного тока (впрочем, и переменного тоже). Любой современный механизм оснащен электродвигателем. Он может иметь разное предназначение, но его наличие, как правило, критически важно. Ожидается, что в ближайшем будущем роль электродвигателя постоянного тока будет лишь возрастать. Уже сегодня без этого устройства невозможно создать качественное, надежное и бесшумное оборудование с регулируемыми скоростями работы. А ведь это – залог развития государства, да и мировой экономики в целом.
Из истории двигателя постоянного тока
В ходе проведения опытов в 1821 году известный ученый Фарадей случайно обнаружил, что магнит и проводник с током каким-то образом воздействуют друг на друга. В частности, постоянный магнит может вызывать вращение простейшего контура из проводника с током. Результаты этих экспериментов были использованы для дальнейших исследований.
Уже в 1833 году Томасом Дэвенпортом создается модель поезда с небольшим электродвигателем, способным приводить его в движение.
В 1838 году в Российской Империи построен пассажирский катер на 12 мест. Когда это плавательное средство с электромотором пошло по Неве против течения, это вызвало настоящий взрыв эмоций в научных кругах и не только.
Как работает электродвигатель постоянного тока
Если рассматривать работу поверхностно, как это делают в школе на уроках по физике, то может показаться, что в ней нет абсолютно ничего сложного. Но это только на первый взгляд. На самом же деле наука об электроприводе является одной из наиболее тяжелых в цикле технических дисциплин. При работе электродвигателя протекает целый ряд сложных физических явлений, которые до сих пор в полной мере не изучены и объясняются различными гипотезами и предположениями.
В упрощенном варианте принцип работы электродвигателя постоянного тока можно описать следующим образом. В магнитное поле помещают проводник и пускают через него ток. При этом если рассматривать сечение проводника, то вокруг него возникают невидимые силовые концентрические окружности – это магнитное поле, которое формируется током в проводнике. Как уже было сказано, данные магнитные поля являются невидимыми для глаза человека. Но существует нехитрый прием, позволяющий визуально наблюдать их. Самый простой способ – проделать в фанере или в плотном листе бумаги отверстие, через которое и пропустить провод. При этом поверхность вблизи отверстия необходимо покрыть тонким слоем мелкодисперсного магнитного металлического порошка (можно использовать и мелкие опилки). При замыкании цепи частицы порошка выстраиваются по форме магнитного поля.
Собственно, на этом явлении и основан принцип работы электродвигателя постоянного тока. Проводник с током помещается между северным и южным полюсами U-образного магнита. В результате взаимодействия магнитных полей, проволока приводится в движение. Направление движения зависит от того, как расположены полюса, и может точно определяться так называемым правилом «буравчика».
Сила Ампера
Сила, которая выталкивает проводник с током за пределы поля постоянного магнита, называется силой Ампера – по имени известного исследователя электрических явлений. Его имя также носит единица измерения силы тока.
Чтобы найти численное значение данной силы, нужно умножить силу тока в рассматриваемом проводнике на его длину и на величину (вектор) индукции магнитного поля.
Формула будет выглядеть следующим образом:
F = IBL.
Модель простейшего двигателя
Грубо говоря, чтобы построить самый примитивный двигатель, необходимо помесить рамку из токопроводящего материала (провода) в магнитное поле и запитать ее током. Рамка повернется на определенный угол и застопорится. Данное положение на сленге специалистов в области электропривода называется «мертвым». Причина остановки заключается в том, что магнитные поля, так сказать, компенсируются. Иными словами, подобное происходит тогда, когда равнодействующая сила становится равной нулю. Поэтому устройство электродвигателя постоянного тока включает не одну, а несколько рамок. В реальном агрегате промышленного назначения (который устанавливается на оборудование) таких элементарных контуров может быть очень и очень много. Так, когда на одной рамке силы уравновешиваются, другая рамка выводит ее из «ступора».
Особенности устройства двигателей разной мощности
Даже человек, далекий от мира электротехники, сразу же смекнет, что без источника постоянного магнитного поля ни о каком электродвигателе постоянного тока просто не может идти и речи. В качестве таких источников применяются самые разные устройства.
Для маломощных электродвигателей постоянного тока (на 12 вольт и менее) самым идеальным решением является постоянный магнит. Но этот вариант не подойдет для агрегатов большой мощности и размеров: магниты будут слишком дорогими и тяжелыми. Поэтому для электродвигателей постоянного тока на 220 В и более целесообразней применять индуктор (обмотку возбуждения). Чтобы индуктор стал источником магнитного поля, его необходимо запитать.
Конструкция электродвигателя
В общем случае конструкция любого двигателя на постоянном токе включает следующие элементы: коллектор, статор и якорь.
Якорь служит несущим элементом для обмотки электродвигателя. Он состоит из тонких листов стали электротехнического назначения с углублениями по периметру для укладки провода. Материал изготовления в данном случае очень важен. Как уже было сказано, применяется электротехническая сталь. Такая марка материала отличается большим размером искусственно выращенного зерна и мягкостью (в результате низкого содержания углерода). Кроме того, вся конструкция состоит из тонких, изолированных листов. Все это не позволяет возникать паразитным токам и предотвращает перегрев якоря.
Статор является неподвижной частью. Он выполняет роль магнита, рассмотренного ранее. Для демонстрации работы модели двигателя в лабораторных условиях для наглядности и лучшего понимания принципов используют статор с двумя полюсами. В реальных промышленных двигателях применяются устройства с большим числом пар полюсов.
Под коллектором понимается коммутатор (соединитель), который подает ток на контуры обмотки электродвигателя постоянного тока. Его наличие строго необходимо. Без него двигатель будет работать рывками, не плавно.
Разновидности двигателей
Не существует одного универсального двигателя, который бы применялся абсолютно во всех отраслях техники и народного хозяйства и удовлетворял всем требованиям в сфере безопасности и надежности при эксплуатации.
Следует очень ответственно подходить к выбору электродвигателя постоянного тока. Ремонт – чрезвычайно сложная и дорогостоящая процедура, которую могут выполнить лишь специалисты с соответствующей квалификацией. И если конструкция и возможности двигателя не будут отвечать требованиям, то на ремонт будут уходить значительные денежные средства.
Существует четыре основные разновидности двигателей постоянного тока: коллекторные, инверторные, униполярные, а также универсальные коллекторные двигатели постоянного тока. Каждый из перечисленных видов имеет свои положительные и отрицательные качества. Следует дать краткую характеристику каждому из них.
Коллекторные двигатели постоянного тока
Существует большое количество возможных способов реализации двигателей данного типа: один коллектор и четное количество контуров, несколько коллекторов и несколько контуров обмотки, три коллектора и столько же витков обмотки, четыре коллектора и два витка обмотки, четыре коллектора и четыре контура на якоре, и наконец – восемь коллекторов с якорем без рамки.
Данный тип двигателя отличается сравнительной простотой исполнения и производства. Именно по этой причине он прослыл широкоуниверсальным двигателем, применение которого очень обширно: от игрушечных автомобилей на радиоуправлении до очень сложных и высокотехнологичных станков с программным управлением немецкого или японского производства.
Об инверторных двигателях
В общем и целом данный тип двигателей сильно похож на коллекторный и имеет те же достоинства и недостатки. Единственное отличие заключается в механизме запуска: он более совершенный, что позволяет без труда осуществлять реверсирование оборотов и регулировку частоты вращения ротора. Таким образом, эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока данного типа превосходят по ряду параметров коллекторные двигатели.
Но если в чем-либо получается выигрыш, то в каких-либо вещах обязательно будет наблюдаться проигрыш. Это неоспоримый закон Вселенной. Так и в этом случае: превосходство обеспечивается довольно сложной и капризной техникой, которая часто выходит из строя. По словам опытных специалистов, ремонт электродвигателей постоянного тока инверторного типа осуществить довольно сложно. Порой даже бывалые электрики не могут диагностировать неисправность в системе.
Особенности униполярных двигателей постоянного тока
Принцип действия остается прежним и основан на взаимодействии магнитных полей проводника с током и магнитом. Но проводником тока служит не проволока, а диск, вращающийся на оси. Подача тока осуществляется следующим образом: один контакт замыкается на металлическую ось, а другой посредством так называемой щетки соединяет край металлического круга. Такой двигатель, как видно, имеет довольно сложную конструкцию и поэтому часто выходит из строя. Основное применение – научные исследования в области физики электричества и электропривода.
Особенности универсальных коллекторных электродвигателей
Принципиально ничего нового данный тип двигателей не несет. Но он имеет очень важную особенность – возможность работать как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока. Порой это его свойство может позволить сэкономить значительные денежные средства на ремонте и модернизации оборудования.
Частота переменного тока жестко регламентирована и составляет 50 Герц. Иными словами, направление движения отрицательно заряженных частиц меняется 50 раз в секунду. Некоторые ошибочно полагают, что и ротор электродвигателя должен менять направление вращения (по часовой стрелке – против часовой стрелки) 50 раз в секунду. Если бы это было действительно так, то о каком-либо полезном применении электрических двигателей переменного тока не могло бы быть и речи. Что происходит в действительности: ток обмотки якоря и статора синхронизируется при помощи простейших конденсаторов. И поэтому, когда меняется направление тока на рамке якоря, меняется его направление и на статоре. Таким образом, ротор постоянно вращается в одну сторону.
К сожалению, КПД электродвигателя постоянного тока данного типа значительно ниже, чем у инверторных и униполярных двигателей. Поэтому его применение ограничено довольно узкими областями – там где необходимо получить максимальную надежность любой ценой, без учета затрат на эксплуатацию (например, военное машиностроение).
Заключительные положения
Технологии не стоят на месте, и сегодня множество научных школ по всему миру конкурируют между собой и стремятся создать дешевый и экономичный двигатель с высоким КПД и эксплуатационными характеристиками. Мощность электродвигателей постоянного тока из года в год растет, при этом падает их энергопотребление.
По прогнозам ученых, будущее будет определяться электрооборудованием, а эпоха нефти завершится уже довольно скоро.
