Важко навіть уявити, як виглядав би сучасний світ без електродвигуна постійного струму (втім, і змінного теж). Будь-який сучасний механізм оснащений електродвигуном. Він може мати різне призначення, але його наявність, як правило, критично важливо. Очікується, що в найближчому майбутньому роль електродвигуна постійного струму буде лише зростати. Вже сьогодні без цього пристрою неможливо створити якісне, надійне і безшумне обладнання з регульованими швидкостями роботи. А адже це – запорука розвитку держави, так і світової економіки в цілому.
З історії двигуна постійного струму
В ході проведення дослідів у 1821 році відомий учений Фарадей випадково виявив, що магніт і провідник зі струмом якимось чином впливають один на одного. Зокрема, постійний магніт може викликати обертання найпростішого контуру з провідника з струмом. Результати цих експериментів були використані для подальших досліджень.
Вже в 1833 році Томасом Дэвенпортом створюється модель поїзда з невеликим електродвигуном, здатним приводити його в рух.
У 1838 році в Російській Імперії побудований пасажирський катер на 12 місць. Коли це плавальний засіб з електромотором пішло по Неві проти течії, це викликало справжній вибух емоцій у наукових колах і не тільки.
Як працює електродвигун постійного струму
Якщо розглядати роботу поверхнево, як це роблять у школі на уроках з фізики, то може здатися, що в ній немає абсолютно нічого складного. Але це тільки на перший погляд. Насправді ж наука про електроприводі є однією з найбільш важких в циклі технічних дисциплін. При роботі електродвигуна протікає цілий ряд складних фізичних явищ, які до цих пір в повній мірі не вивчені і пояснюються різними гіпотезами і припущеннями.
У спрощеному варіанті принцип роботи електродвигуна постійного струму можна описати наступним чином. В магнітне поле поміщають провідник і пускають через нього струм. При цьому якщо розглядати переріз провідника, то навколо нього виникають невидимі силові концентричні кола – це магнітне поле, яке формується струмом у провіднику. Як вже було сказано, дані магнітні поля є невидимими для ока людини. Але існує нехитрий прийом, що дозволяє візуально спостерігати їх. Найпростіший спосіб – виконати у фанері або в щільному аркуші паперу отвір, через яке і пропустити провід. При цьому поверхня поблизу отвори необхідно покрити тонким шаром дрібнодисперсного магнітного металевого порошку (можна використовувати і дрібні тирсу). При замиканні ланцюга частинки порошку шикуються по формі магнітного поля.
Власне, на цьому явищі і заснований принцип роботи електродвигуна постійного струму. Провідник з струмом поміщається між північним і південним полюсами U-образного магніту. В результаті взаємодії магнітних полів, дріт приводиться в рух. Напрям руху залежить від того, як розташовані полюси, і може точно визначатися так званим правилом «буравчика».
Сила Ампера
Сила, яка виштовхує провідник зі струмом за межі поля постійного магніту, називається силою Ампера – по імені відомого дослідника електричних явищ. Його ім’я також носить одиниця вимірювання сили струму.
Щоб знайти чисельне значення цієї сили, потрібно помножити силу струму в розглянутому провіднику на його довжину і на величину (вектор) індукції магнітного поля.
Формула буде виглядати наступним чином:
F = IBL.
Модель найпростішого двигуна
Грубо кажучи, щоб побудувати самий примітивний двигун, необхідно помісити рамку з струмопровідного матеріалу (дроту) в магнітне поле і живити її струмом. Рамка повернеться на певний кут і застопориться. Дане положення на сленгу фахівців в області електропривода називається «мертвим». Причина зупинки полягає в тому, що магнітні поля, так би мовити, компенсуються. Іншими словами, подібне відбувається тоді, коли рівнодіюча сила стає рівною нулю. Тому пристрій електродвигуна постійного струму включає не одну, а кілька рамок. У реальному агрегаті промислового призначення (який встановлюється на обладнання) таких елементарних контурів може бути дуже і дуже багато. Так, коли на одній рамці сили врівноважуються, інша рамка виводить її з «ступору».
Особливості пристрою двигунів різної потужності
Навіть людина, далека від світу електротехніки, відразу ж смекнет, що без джерела постійного магнітного поля ні про яке електродвигуні постійного струму просто не може йти і мови. В якості таких джерел застосовуються самі різні пристрої.
Для малопотужних електродвигунів постійного струму (на 12 вольт і менше) самим ідеальним рішенням є постійний магніт. Але цей варіант не підійде для агрегатів великої потужності і розмірів: магніти будуть надто дорогими і важкими. Тому для електродвигунів постійного струму 220 В і більше доцільніше застосовувати індуктор (обмотку збудження). Щоб індуктор став джерелом магнітного поля, його необхідно підключити.
Конструкція електродвигуна
У загальному випадку конструкція будь-якого двигуна на постійному струмі включає наступні елементи: колектор, статор і якір.
Якір служить несучим елементом для обмотки електродвигуна. Він складається з тонких листів сталі електротехнічного призначення з поглибленнями по периметру для укладання дроти. Матеріал виготовлення в даному випадку дуже важливий. Як вже було сказано, застосовується електротехнічна сталь. Така марка матеріалу відрізняється великим розміром штучно вирощеного зерна і м’якістю (внаслідок низького вмісту вуглецю). Крім того, вся конструкція складається з тонких, ізольованих аркушів. Все це не дозволяє виникати паразитних струмів і запобігає перегрів якоря.
Статор є нерухомою частиною. Він виконує роль магніту, розглянутої раніше. Для демонстрації роботи моделі двигуна в лабораторних умовах для наочності і кращого розуміння принципів використовують статор з двома полюсами. В реальних промислових двигунах застосовуються пристрої з великим числом пар полюсів.
Під колектором розуміється комутатор (з’єднувач), який подає струм на контури обмотки електродвигуна постійного струму. Його наявність строго необхідно. Без нього двигун буде працювати ривками, не плавно.
Різновиди двигунів
Не існує одного універсального двигуна, який би застосовувався абсолютно у всіх галузях техніки і народного господарства і задовольняв всім вимогам у сфері безпеки і надійності при експлуатації.
Слід дуже відповідально підходити до вибору електродвигуна постійного струму. Ремонт – надзвичайно складна і дорога процедура, яку можуть виконувати лише фахівці з відповідною кваліфікацією. І якщо конструкція і можливості двигуна не будуть відповідати вимогам, то на ремонт будуть йти значні грошові кошти.
Існує чотири основні різновиди двигунів постійного струму: колекторні, інверторні, уніполярні, а також універсальні колекторні двигуни постійного струму. Кожен з перелічених видів має свої позитивні і негативні якості. Слід дати коротку характеристику кожному з них.
Колекторні двигуни постійного струму
Існує велика кількість можливих способів реалізації даного типу двигунів: один колектор і парна кількість контурів, кілька колекторів і кілька контурів обмотки, три колектора і стільки ж витків обмотки, чотири колектора і два витка обмотки, чотири колектора і чотири контуру на якорі, і нарешті – вісім колекторів з якорем без рамки.
Даний тип двигуна відрізняється порівняльною простотою виконання і виробництва. Саме з цієї причини він уславився широкоуниверсальным двигуном, застосування якого дуже широко: від іграшкових автомобілів на радіокеруванні до дуже складних та високотехнологічних верстатів з програмним управлінням німецького або японського виробництва.
Про інверторних двигунах
У загальному і цілому цей тип двигунів сильно схожий на колекторний і має ті ж достоїнства і недоліки. Єдина відмінність полягає в механізмі запуску: він більш досконалий, що дозволяє без праці здійснювати реверсування обертів і регулювання частоти обертання ротора. Таким чином, експлуатаційні характеристики електродвигуна постійного струму даного типу перевершують по ряду параметрів колекторні двигуни.
Але якщо в чому-небудь виходить виграш, то в якихось речах обов’язково буде спостерігатися програш. Це незаперечний закон Всесвіту. Так і в цьому випадку: перевага забезпечується досить складною і примхливої технікою, яка часто виходить з ладу. За словами досвідчених фахівців, ремонт електродвигунів постійного струму інверторного типу здійснити досить складно. Часом навіть бувалі електрики не можуть діагностувати несправність в системі.
Особливості уніполярних двигунів постійного струму
Принцип дії залишається колишнім і заснований на взаємодії магнітного поля провідника зі струмом і магнітом. Але провідником струму служить не дріт, а диск, що обертається на осі. Подача струму здійснюється наступним чином: один контакт замикається на металеву вісь, а іншою за допомогою так званої щітки з’єднує край металевого кола. Такий двигун, як видно, має досить складну конструкцію і тому часто виходить з ладу. Основне застосування – наукові дослідження в галузі фізики, електрики та електроприводу.
Особливості універсальних колекторних електродвигунів
Принципово нічого нового цей тип двигунів не несе. Але він має дуже важливу особливість – можливість працювати як від мережі постійного струму, так і від мережі змінного струму. Деколи це його властивість може дозволити заощадити значні кошти на ремонт і модернізацію обладнання.
Частота змінного струму жорстко регламентована і становить 50 Герц. Іншими словами, напрямок руху негативно заряджених частинок змінюється 50 разів в секунду. Деякі помилково вважають, що і ротор електродвигуна повинен змінювати напрямок обертання (за годинниковою стрілкою, проти годинникової стрілки) 50 разів в секунду. Якщо б це було дійсно так, то про яке-небудь корисному застосуванні електричних двигунів змінного струму не могло б бути й мови. Що відбувається насправді: струм обмотки якоря і статора синхронізується за допомогою найпростіших конденсаторів. І тому, коли змінюється напрям струму на рамці якоря, змінюється його напрям і на статорі. Таким чином, ротор постійно обертається в одну сторону.
На жаль, ККД електродвигуна постійного струму даного типу значно нижча, ніж у інверторних і уніполярних двигунів. Тому його застосування обмежене досить вузькими областями – там де необхідно отримати максимальну надійність будь-яку ціну, без урахування витрат на експлуатацію (наприклад, військове машинобудування).
Прикінцеві положення
Технології не стоять на місці, і сьогодні безліч наукових шкіл по всьому світу конкурують між собою і прагнуть створити дешевий і економічний двигун з високим ККД і експлуатаційними характеристиками. Потужність електродвигунів постійного струму з року в рік зростає, при цьому падає їх енергоспоживання.
За прогнозами вчених, майбутнє буде визначатися електрообладнанням, а епоха нафти завершиться вже досить скоро.
