Электродвигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока

История создания электродвигателя

Явление, без которого сейчас невозможно представить жизнь, было замечено еще в VII веке до н.э. известным философ Фалесом, но, к сожалению, это явление не было изучено до 1600 года. В ХVII веке данному явлению У. Гилберт дал название «электричество». Данный термин обозначал ряд процессов, обусловленных взаимодействием электрических зарядов. После того, как данный термин стал доступен человечеству, многие ученые принялись изучать его. Первой теорией электричества стала теория Бенджамина Франклина, который в 1747 году написал книгу «Опыты и наблюдения с электричеством». Пожалуй, самый большой вклад в изучение данного явления сделал Майкл Фарадей. Именно его называют основоположником учения об электромагнитном поле. В то время как начал работать Фарадей, уже было достаточно много известно об электричестве и его связи с магнитным полем, благодаря Х. Эрстеду. В 1831 Фарадеем году было открыто понятие электромагнитной индукции. После того, как Фарадей написал множество работ в данной области, дальнейшим изучением свойств электричества занимались и другие ученые. Наиболее известными среди них являются: Г.С. Ом, открывший закон электрической цепи; Д.К. Максвелл, сформулировавший теории электромагнитных явлений; А. Ампер, который проводил опыты с магнитным полем и электричеством, а также открыл эффект соленоида.

В 1834 от теории электричества, русский и немецкий физик Мориц Герман Якоби, который в России носил имя Борис Семенович, перешел к практике. Он считал, что изобретения с движением похожим на качели, «…не более чем игрушкой для обогащения физических кабинетов». Именно в этом году им был изобретен первый электродвигатель. Он действовал по принципу притяжения и отталкивания электромагнитных полюсов. Полезная мощность изобретения Якоби составляла 15 Вт. 1837 году, переехав в Россию, Якоби решил испытать на практике свое изобретение, объединив несколько таких двигателей и создав первую лодку с электрическим мотором. Такая лодка могла плыть по Неве против течения с четырнадцатью пассажирами на борту. После этого, электродвигатель стали применять и в других областях. Например, Р. Дэвидсон создал первый электрический локомотив, которых мог работать практически без подачи угля, как это было до этих пор. Известный по сей день Вернер фон Сименс, основатель одноименной компании, изобрел электрический генератор с двойным Т-образным якорем. Позже, З. Грамм усовершенствовал данное изобретение, сделав самовозбуждающийся двигатель с кольцевым якорем.

Ток, с которым работали все ученые, имел одно и то же направление и значение. Таким образом, можно сказать, что при создании электродвигателя использовался именно постоянный ток. Источник постоянного тока был открыт А. Вольта в 1800 году и получил название гальванический элемент. Свое название он получил в честь основоположника электрофизиологии итальянца Л. Гальвани. Гальванический элемент – это столб, на котором расположены шары из цинка и серебра. Принцип действия данного источника – взаимодействие двух металлов в электролите. Переход химической энергии в электрическую происходит именно в гальванических элементах. Таким образом, появился химический источник постоянного электрического тока. Именно постоянный ток использовался при создании первого электродвигателя.

Электродвигатель постоянного тока в наше время

Электродвигатель постоянного тока

В настоящее время электродвигатель постоянного тока – это электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Современные электродвигатели имеют строение гораздо сложнее, чем в XIX веке. Основными элементами оборудования являются:
• Корпус
• Два подшипниковых щита
• Траверса
• Щетки в щеткодержателях
• Якорь с коллектором
• Вентилятор
• Статор с полюсными наконечниками и обмотками
Корпус современного электродвигателя постоянного тока обязательно должен быть изготовлен из материала, который является диамагнитным. Раньше для создания корпусов электродвигателей использовали чугун. Но данный материал был достаточно тяжеловесен, именно поэтому со временем основным материалом для изготовления корпуса стал алюминиевый сплав.

Подшипниковые щиты – это детали, служащие для соединения статора и ротора между собой. В основном, они изготавливаются из стали методом литья. Этот материал обладает высокой прочностью и износоустойчивостью.

Траверсой называют шины, дугообразной формы, которые проводят ток. Основной функцией данного устройства является улучшение условий работы и обслуживания всего оборудования. К траверсе прикручены щеткодержатели со щетками. Именно щетки обеспечивают неразрывный контакт между статором и ротором.

Якорь – это подвижная часть электродвигателя постоянного тока. Якорь обычно идет в составе с коллектором. О том, что двигатель именно коллекторный можно понять, открутив крышку. Если видна контактная поверхность и пружина щетки, то в строении двигателя присутствует коллектор.
Для того чтобы двигатель не перегревался, используется вентилятор. Существует два типа вентиляторов – воздушный и жидкостный. Основной функцией вентилятора является отвод тепла из корпуса электродвигателя постоянного тока.

Статор, в отличие от якоря является неподвижной частью двигателя. Сам по себе статор – это цилиндр, в котором располагается обмотка возбуждения. Другое название обмотки – индуктор. Именно эта часть отвечает за создание магнитного потока. Полюсные наконечники статора изготовлены из листовой стали. Они обеспечивают магнитную индукцию. У таких наконечников есть один недостаток – появление зазоров между ними приводит к потере магнитной индукции.

Виды электродвигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока делятся на двигатели параллельного, последовательного, смешанного и независимого возбуждения. Основным отличием этих видов является расположение обмотки статора в сети. Если обмотка параллельно подключена к сети, то и возбуждение будет параллельным. При этом, по такой обмотке проходит всего до 5% тока якоря. Обмотка, подключенная к сети последовательно, пропускает через себя 100% тока якоря. Смешанное подключение обмотки включает в себя и параллельное и последовательное подключение, при этом основной является параллельное. Независимое возбуждение подразумевает под собой подключение обмотки к другому источнику питания. Но данный вид имеет свои недостатки. При большом значении тока, скорость вращения двигателя может достигать высоких показателей, что может привести к разрушению корпуса электродвигателя в целом.

Принцип работы электродвигателя

Как только возбужденный двигатель подключается к источнику питания, в обмотке якоря появляется большой ток, который имеет гораздо большее значение, чем его номинальное. Под влиянием сил Ампера, направленных против часовой стрелки, заставляют якорь вращаться в том же направлении, согласно правилу «левой руки». Электродвижущая сила следует по встречному направлению к напряжению источника питания. Противоэлектродвижущая сила в якоре растет прямо пропорционально скорости его вращения. Для того чтобы скорость якоря увеличивалась, можно или повысить значение тока, или снизить противо-ЭДС в его обмотке. Такой способ увеличения скорости, в настоящее время, является наиболее популярным.

Электродвигатель постоянного тока

После того, как электродвигатель отключают от питания, движение тока продолжается по инерции. Конечно, рано или поздно ток остановится, и двигатель будет обездвижен, но это занимает достаточно большое количество времени. Поэтому, существует несколько способов, помимо механического, торможения движения электродвигателя постоянного тока после его выключения. Такие способы называют электрическими. Первый способ – это подключение реостат в цепь. Двигатель будет отдавать всю оставшуюся энергию для нагрева подключенного устройства и после этого остановится окончательно. Второй способ, чуть более сложный, остановить ток, направив на него противоток. Принцип торможения в этом случае такой же, что и у первого способа, но добиваются цели немного иным путем. И третий способ, который подходит только для определенного оборудования – это возврат тока в сеть, который в последствии может быть использован.

Основные неисправности двигателя

Любое оборудование рано или поздно подлежит ремонту. Электродвигатель постоянного тока не является исключением. Самыми частыми неисправностями, обычно, являются:
• Двигатель не возбуждается
• На холостом ходу напряжение выше или ниже номинального значения
• Невозможность запуска
• Потребление тока выше обычного значения
• Частота вращений выше или ниже номинального значения
• Самопроизвольное отключение
• Перегрев обмотки или якоря
• Искрение щеток
• Круговой огонь и др.
Каждая из неисправностей имеет свои причины и методы их исправления. Причинами может служить как размагничивание электродвигателя, так и, например, механическое повреждение какого-либо элемента устройства. Для того чтобы оборудование не приходил часто ремонтировать, при его использовании нужно точно следовать инструкции по эксплуатации, а так же периодически проводить диагностику электродвигателя. В зависимости от того, насколько точно выполняются все эти условия, зависит срок службы используемого двигателя.

Ремонт любой части электродвигателя является достаточно трудоемкой задачей, которая требует специальных знаний и оборудования. Поэтому, если электродвигатель не работает или работает не верно, то лучше всего сразу обратиться в специализированную мастерскую, где не только правильно определят неисправность, но и отремонтируют ее должным образом.

Применение различных видов электродвигателей постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока

Применение на практике электродвигателей постоянного тока того или иного вида, в основном, зависит от характеристик и свойств двигателя. Наиболее важными являются значение пускового момента, частота и возможность регулировки вращения двигателя.

Любой транспорт, работающий с помощью электричества, запускается с помощью электродвигателя с последовательным возбуждением. Это зависит от того, что именно такой двигатель имеет большой пусковой момент. Данная характеристика является основной при использовании этого устройства в электрическом транспорте, а так же в подъемных оборудования, таких как, например, подъемный кран.

Из-за схожести характеристик пускового момента в электрическом транспорте так же может использоваться и двигатель с независимым возбуждением.

Параллельное возбуждение двигателя имеет два основных свойства: частота вращений практически всегда постоянна, и ее можно регулировать с помощью реостата. Такой вид электродвигателя можно использовать в различном промышленном оборудовании и станках, так как мощность механизма не зависит от частоты вращения электродвигателя.

Чаще всего электродвигатели со смешанным возбуждением используются в лифтах. Так же они незаменимы для прессов, штампов, прокатных станков и электрических промышленных ножниц.

Электродвигатели нового типа

С момента появления самого первого электродвигателя его строение и характеристики становились все лучше, так как прогресс не стоит на месте. Уже сейчас стали появляться новейшие электродвигатели, которые в корне поменяли принцип действия. Эти изобретения еще не выпускаются конвейером, но уже занимают свою нишу в данной сфере.

Новейший электродвигатель обладает почти теми же характеристиками, что и уже известные устройства, но он потребляет гораздо меньше мощности. То есть, для того, чтобы мощность на выходе была равна и у старого и у нового типа, для старого нужно 440В, а новейшему требуется всего 42В.

Таким образом, начиная с XIX века, изучение и изобретение все новых электродвигателей постоянного тока только «набирает обороты». Многие известные ученые и простые изобретатели усовершенствуют данное оборудование, с помощью дополнительных устройств, открывают все новые свойства, улучшают характеристики двигателей.

При подготовке статьи использованы материалы:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Электродвигатель_постоянного_тока
https://ru.wikipedia.org/wiki/Постоянный_ток
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электричество
https://ru.wikipedia.org/wiki/Статор
https://ru.wikipedia.org/wiki/Якоби,_Борис_Семёнович
https://ru.wikipedia.org/wiki/Индуктор
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальвани,_Луиджи
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальванический_элемент