Технический прогресс требует нестандартных подходов и решений. Как выяснилось впоследствии, асинхронные трехфазные двигатели совсем не подходят к конструктивным особенностям электротранспорта, где нужно плавно регулировать скорость его движения, дать ему определенную маневренность и независимость. Так появились электродвигатели, работающие на постоянном токе.
Способность регулировать скорость вращения вала – важное преимущество их над асинхронными. С другой стороны, высокая цена не сделала их столь популярными и легкодоступными.
В быту они в основном встречаются в игрушках для детей, работающих от батареек. На производстве же – для различного оборудования и шахтных электровозов, работающих от мощных аккумуляторов.
Чтобы понять, как работает двигатель постоянного тока, вспомним физику. В частности, закон Ампера: рамка, изготовленная из проволоки, помещенная в поле магнита, начинает вращаться при подаче на нее напряжения. Сложного фактически ничего нет, не считая самой конструкции.
В процессе многочисленных испытаний и доработок получилось достичь совершенного устройства, способного развивать хорошую мощность и управляемую скорость вращения.
Конструкция
Устройство двигателя постоянного тока подобно синхронному.Различие незначительные. Принцип работы – тот же. Разновидность подводимого тока – единственное их отличие.
Конструктивно выделяются следующие элементы:
- Корпус;
- Якорь, жестко насаженный на вал;
- Сердечник и обмотки полюсов (магниты);
- Статор;
- Вентилятор;
- Медно-графитные щетки;
- Кольца коллектора, к которым подсоединены концы обмоток якоря;
- Подшипники;
- Торцевые крышки.
Рассматривая фото электродвигателя постоянного тока, можно убедиться, что внешне и начинкой он ничем не отличается от синхронного.
Якорь – главный элемент. При подаче на него напряжения через щетки и коллектор, он начинает вращаться в магнитном поле статора. Как простая рамка, эксперименты с которой описываются в учебниках по физике, только конструкция намного сложнее и более совершенная.
Статор жестко соединен с корпусом электродвигателя, имеет обмотки возбуждения или магниты, между полюсами которых вращается якорь на подшипниках, помещенных с торцов в пазы крышек.
В передней части вала имеется паз под шпонку для крепления шестерни или шкива (механической части). В задней – вентилятор для охлаждения работающих элементов – якоря и статора.
Наиболее уязвимое место двигателей постоянного тока, влияющее на его полезные характеристики – медно-графитные щетки, которые прижимаются к коллектору. Со временем они изнашиваются, образуют на поверхности пыль, искрят. Могут ослабнуть, болтаться на пружинах, в результате чего потеряется контакт, и двигатель перестанет работать.
Важно своевременно очищать поверхность колец коллектора от пыли, следить за степенью износа щеток, степени их прилегаемости и исправности.
Классификация
В зависимости от характера воздействия на обмотки электродвигатели постоянного тока подразделяются на следующие типы:
- С независимым возбуждением. Скорость вращения регулируется реостатом, включенным в цепь обмоток. Запрещены к выпуску, если слишком малая или незначительная рабочая механическая нагрузка, так как иначе возникают слишком высокие токи в обмотках якоря.;
- С последовательным. Якорь подключается последовательно с обмоткой возбуждения к одному источнику питания.
- С параллельным. Якорь и обмотки статора имеют общий источник, но подключены независимо друг от друга. Параллельно. Скорость вращения регулируется реостатом, помещенным в цепи якоря;
- Со смешанным. Каждый полюс имеет по 2 обмотки. Соединяются в рабочую схему вычитанием или суммированием потоков. Изменяя полярность одной из обмоток, можно заставить вал изменить направление вращения.
От того, как подключен электродвигатель постоянного тока, зависят его механически и электротехнические свойства.
Плюсы – минусы
Любому электрооборудованию присущи свои особенности, которые нужно учитывать в процессе эксплуатации, чтобы оно прослужило дольше.
Двигатели постоянного тока имеют свои неоспоримые достоинства:
- Имеют небольшие габариты;
- Отсутствуют сложности управления;
- Простое строение и конструктивные особенности, поддающиеся ремонту и техническому обслуживанию;
- Можно использовать для генерирования тока;
- Быстро запускаются;
- Плавная регулировка оборотов вала (ускорение и замедление с помощью реостата).
Наряду с существенными достоинствами, имеется ряд недостатков:
- Нужен специальный питающий блок, выравнивающий переменное напряжение;
- Высокая ценовая стоимость;
- Периодическая перезарядка аккумуляторов. Когда они сели, запуск двигателя невозможен;
- Рабочая зона ограничена радиусом взаимодействия с источником питания (троллейбус, трамвай), и когда он отсутствует либо поврежден, работа механизмов устройства невозможна;
- Требует периодического техобслуживания (замены быстроизнашивающихся колец коллектора и графитно-медных щеток).
Применение
В основном это – транспорт, работающий на электрическом токе и устройства, в которых необходимо тщательное управление скоростью вращения.
Обычно такие двигатели можно встретить в конструкции:
- Троллейбусов;
- Электромобилей в парке аттракционов;
- Трамваев:
- Транспортно-подъемных устройствах;
- Шахтных электровозов.
А также – в детских игрушках, работающих на пальчиковых батарейках – машинках, танчиках, самолетах, вертолетах и прочем.
Следует отметить, что двигатели постоянного тока могут быть энергонезависимыми, а устройства и механизмы обладать большей маневренностью и свободой действий, не требовать подключение к источнику, питаться от мощных перезаряжаемых аккумуляторов.
Единственное слабое звено – это щетки и кольца коллектора, которые быстро изнашиваются и требуют периодической замены.
Несмотря на это, весь электротранспорт в крупных городах снабжен различными видами двигателями постоянного тока, а не асинхронными, что подчеркивает их громадную роль в жизни современного общества и страны в целом.
Фото электродвигателя постоянного тока