Устройство и принцип действия

Электрические машины постоянного тока широко применяются в промышленности и быту. Электродвигатели постоянного тока являются основой для создания автоматизированных систем приборного электропривода, приводов роботов и оптических систем. В качестве источников электроэнергии для них используются различные полупроводниковые преобразователи, позволяющие получить уникальные параметры автоматических систем управления. Машины постоянного тока, как и любые другие электромеханические преобразователи могут работать в двигательном и генераторном режимах. Однако с развитием силовой электроники использование генераторов постоянного тока стало в большинстве случаев нецелесообразным, поэтому основное внимание в этом разделе будет уделено двигателям.

На рисунке 1 показан общий вид двигателя постоянного тока (а) и его конструктивная схема (б).

Корпус 1 является основной конструктивной единицей и соединяет воедино все элементы машины, но кроме этого он служит также магнитопроводом для основного магнитного потока. Вал якоря 2 установлен в корпусе подшипниках. На валу закреплен цилиндр, в виде пакета листов электротехнической стали, в котором сделаны пазы. В эти пазы уложена обмотка якоря. На схеме она показана в сечении в виде отдельных проводников. С внешней электрической цепью обмотка якоря соединяется с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток 4. Внутри корпуса расположены главные 5 и дополнительные 6 полюсы двигателя. На главных полюсах установлена обмотка 8, называемая обмоткой возбуждения. Она подключается к источнику постоянного тока и служит для создания основного магнитного поля двигателя. В машинах малой мощности вместо обмотки возбуждения часто используют постоянные магниты. На дополнительных полюсах также расположена обмотка, которая включена последовательно в электрическую цепь якоря 7. В машинах малой мощности дополнительные полюсы обычно не устанавливают.

Принцип действия двигателя постоянного тока рассмотрим на примере витка провода, расположенного в магнитном поле (рис. 2). Концы витка подключены к кольцу, разделенному на две части, по которому скользят щетки. Если щетки подключить к источнику постоянного тока, то в витке будет протекать электрический ток и в результате взаимодействия тока с внешним магнитным полем возникнет электромагнитная сила и соответствующий вращающий момент . Под действие этого момента виток придет во вращение и в тот момент, когда плоскость витка займет горизонтальное положение верхнее полукольцо перейдет на нижнюю щетку, а нижнее – на верхнюю. Ток в верхнем и нижнем проводниках изменит свое направление, но в зоне северного полюса ток в любом проводнике будет направлен от щетки, а в зоне южного полюса – в направлении щетки. При этом направление действия сил, момента и направление вращения будут сохраняться.

Важнейшим элементом двигателя постоянного тока является разрезанное кольцо, называемое коллектором. Количество его пластин в реальных машинах существенно больше, чем в рассмотренной модели, однако функции те же – обеспечение электрического соединения обмотки вращающегося якоря с неподвижными элементами внешней электрической цепи и синхронное изменение направления тока в элементах обмотки. В результате переключения проводников витка ток в каждом из них меняет свое направление каждые пол-оборота, т.е. коллектор преобразует постоянный ток во внешней цепи якоря в переменный ток обмотки якоря, причем частота этого тока строго соответствует угловой частоте вращения . В терминах преобразовательной техники коллектор является инвертором, ведомым частотой ротора.

Вращение витка в магнитном поле приводит к появлению в нем ЭДС индукции . Она направлена встречно по отношению к току в проводниках и к приложенному напряжению питания и поэтому называется противо-ЭДС.

Очевидно, что увеличение вращающего момента можно получить, заменив рамку из одного витка несколькими витками, т.е. катушкой или секцией. Затем можно увеличить число таких секций, расположив их равномерно по окружности якоря и соединив между собой последовательно, чтобы в них протекал одинаковый ток. При этом переключать секции нужно будет чаще, и коллектор превратится в набор пластин, число которых равно числу секций обмотки. Так как все секции образуют последовательное соединение, то к каждой пластине коллектора присоединяется начало одной секции и конец другой. Устройство коллектора показано на рис. 3.