Принцип действия и устройство электродвигателя постоянного тока

Электродвигатели используют для обеспечения работы различного оборудования. Они незаменимы в самых разных отраслях промышленности благодаря своей эффективности и надежности. В статье подробно расскажем о том, как работают электродвигатели постоянного тока, в чем их преимущества и на что обращать внимание при покупке.

Устройство двигателей постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) — это механизм, преобразующий электрическую энергию в механическую.

Электричество ⇨ электродвигатель ⇨ механическая энергия

Электрический двигатель постоянного тока представляет собой моноблок с разъемами для подключения и работает за счет вращения отдельных частей конструкции.

Генератор постоянного тока (ГПТ) — это механизм, преобразующий механическую энергию в электрическую.

Электроэнергия ⇦ генератор ⇦ механическая энергия

ДПТ и ГПТ работают по принципу обратимости. То есть электродвигатель может функционировать как генератор, и наоборот.

На рынке представлен широкий ассортимент электродвигателей, но общий вид конструкции одинаковый у всех.

ДПТ состоит из следующих компонентов:

• Неподвижный статор, или индуктор. Включает два магнита, развернутых разными полюсами к обмоткам.
• Подвижный ротор, который еще называют якорем. Он имеет две взаимосвязанных обмотки с сердечниками. Первые два элемента в двигателе расположены так, что между ними есть воздушное пространство.
• Коллектор, представляющий собой пластины в форме полукруга, размещенные на валу.
• Контакты, передающие электрический ток через коллектор к обмоткам.

Рассмотрим составные части электродвигателя более детально.

В современных электрических двигателях постоянного тока применяют индукторы-катушки. Когда электроцепь замыкается, образуется магнитное поле. Чтобы запитать обмотки статора, используют такие схемы:

• независимое возбуждение;
• стыковка параллельно обмоткам якоря;
• постепенное возбуждение катушек;
• смешанная стыковка.

Чтобы подобрать наиболее подходящую схему, вы должны понимать, в каких условиях планируется работа электродвигателя.

В простейших ДПТ ротор включает две обмотки. Недостаток такой конструкции в том, что, когда двигатель останавливается, валу нужно дополнительно придавать вращение для возобновления работы. Поэтому рекомендуем для большей надежности покупать электродвигатели, в которых у якоря свыше трех обмоток.

Коллекторы переключают электрический ток, чтобы изменить полярность обмоток. Благодаря этому ротор работает без остановки.

Принцип работы

Принцип работы двигателей постоянного тока можно описать поэтапными процессами.

1. Создание магнитного поля в якоре. Когда через обмотки якоря проходит электрический ток, вокруг них создается магнитное поле. Из школьных уроков физики известно, что его направление определяется правилом правой руки. Если большой палец показывает направление тока, остальные пальцы укажут направление магнитного поля.
2. Взаимодействие магнитных полей. Обмотки якоря находятся между полюсами статора. Возникает сила взаимодействия между магнитным полем статора и полем якоря. Это создает вращающий момент, заставляющий якорь двигаться.
3. Поддержание вращения. Как только якорь начинает вращаться, направление магнитного поля в его обмотках меняется. Чтобы вращение продолжалось, необходимо менять направление тока в обмотках. Коммутатор выполняет эту задачу. Он механически переключает контакты с помощью щеток, изменяя полярность тока.
4. Передача энергии на вал. Вращающийся якорь приводит в движение вал двигателя, на который можно установить насос или другое механическое оборудование.

Режимы работы ДПТ

Существует восемь режимов работы ДПТ. Они отличаются по длительности и размеру нагрузки, способу охлаждения, периодичности отключений и прочим параметрам. Рассмотрим их подробнее.

• Режим S1, длительный. Во время работы двигатель нагревается до определенных значений. Может быть двух видов:
  1. С устойчивой нагрузкой, при которой температура не меняется. Так работают ДПТ вентиляторов или транспортеров.
  2. С переменной нагрузкой, при которой температура то увеличивается, то уменьшается с учетом нагрузки. Такие двигатели используют в металлургии.
• Режим S2, короткий. Двигатели работают от 10 до 90 минут, что указано в паспорте устройства. Их используют для вентилей, заслонок. Температура в ДПТ не достигает максимальных значений, а во время перерыва в работе становится такой, как окружающая среда.
• Режим S3, повторно-кратковременный. Принцип тот же, только охлаждения до температуры окружающей среды не происходит. Такой режим характерен для оборудования, работающего циклично (например, лифты или подъемные краны).

Есть и дополнительные режимы:

Типы двигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока делятся на два типа.

По наличию щеточно-коллекторного узла ДПТ бывают:

1. Коллекторные.
   • Используют щеточно-коллекторные узлы для переключения обмоток.
   • Распространены в различных моделях, включая двигатели с несколькими узлами (обычно до восьми узлов).
2. Бесколлекторные, или вентильные.
   • Постоянные магниты действуют в качестве ротора, а ток поступает на статор.
   • Имеют электронное управление, что устраняет искрение и снижает износ конструкции.
   • Отличаются высокой надежностью, простотой обслуживания и эффективностью.

По конструкции магнитной системы статора:

1. Двигатели с постоянными магнитами, которые создают магнитное поле.
2. Двигатели с обмотками возбуждения.
   • Формируют магнитное поле с помощью статорных обмоток.
   • Обеспечивают стабильные обороты и высокую мощность.
   • Характеристики зависят от схемы подключения (последовательная она или параллельная).

Эти особенности делают ДПТ универсальными для использования в промышленных условиях.

Монтажное исполнение электродвигателей

Электрические ДПТ изготавливаются в соответствии с нормами ГОСТ 2479-79. На двигатели в зависимости от способа монтажа ставят маркировку:

• IM согласно СТ СЭВ 246-76, МЭК 34-7-72;
• M и четырех цифр для агрегатов, не упомянутых в СТ СЭВ 246-76, МЭК 34-7-72.

Обозначение выглядит так:

• сначала указывают буквенную маркировку;
• далее — цифру, говорящую о конструктивном исполнении;
• после — две цифры, обозначающие способ монтажа;
• в конце — одна цифра, которая показывает исполнение конца вала.

Для обозначения конструктивных особенностей электрических двигателей используется первая цифра в их маркировке. Она говорит о следующем:

• 1 — устройство с лапами, подшипниковыми щитами и встроенным редуктором.
• 2 — машина с лапами, подшипниковыми щитами и фланцем на одном или обоих щитах.
• 3 — без лап, с подшипниковыми щитами и фланцем, расположенным на щите или на цоколе.
• 4 — конструкция без лап, с подшипниковыми щитами и фланцем, установленным на станине.
• 5 — устройство без подшипниковых щитов.
• 6 — машина с лапами, подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками.
• 7 — с лапами, без подшипниковых щитов, но со стояковыми подшипниками.
• 8 — исполнение с вертикальным валом (за исключением IM1– IM4).
• 9 — специальный вариант монтажа для нестандартных условий.

Эти классификационные обозначения помогают выбрать машину для конкретных задач и условий эксплуатации.

Способы монтажа электрических машин обозначают 2-я и 3-я цифра в маркировке.

2-я цифра указывает на тип крепления машины:

• 1 — лапы;
• 2 — фланец;
• 3 — лапы и фланец;
• 4 — без лап и фланца (встроенная установка).

3-я цифра определяет ориентацию вала:

• 1 — горизонтальный вал;
• 2 — вертикальный вал (вниз);
• 3 — вертикальный вал (вверх).

Эти параметры помогают адаптировать оборудование под различные монтажные условия. Более наглядную информацию о способах монтажа можно найти в специальных таблицах.

Типы исполнения концов вала якоря определяются 4-й цифрой в маркировке электродвигателя.

Электродвигатели постоянного тока обозначаются по виду окончания вала:

• 0 — вал без выходных концов;
• 1 — один конец в форме цилиндра;
• 2 — два конца в форме цилиндра;
• 3 — один конический конец;
• 4 — два конца в виде конуса;
• 5 — один фланцевый конец;
• 6 — два фланцевых конца;
• 7 — один фланцевый конец (D) и один цилиндрический (N);
• 9 — нестандартные исполнения.

Такое разнообразие вариантов позволяет подобрать мотор для конкретных задач и условий эксплуатации.

Способы возбуждения ЭДС ДПТ

Выделяют четыре основных способа возбуждения магнитного поля в электродвигателях. От выбора конкретного вида зависят особенности использования ДПТ. Рассмотрим существующие варианты.

Независимое возбуждение

В этом случае электродвигатель питается от отдельного источника, что исключает зависимость тока возбуждения от питающего напряжения и нагрузки. Такое устройство позволяет гибко управлять магнитным потоком в широких пределах, а вместе с ним и электродвижущей силой (ЭДС), которая возникает в роторной обмотке.

Ключевой параметр — характеристика холостого хода (ХХХ) — соотношение ЭДС и тока возбуждения при постоянной скорости вращения вала.

Ключевые особенности:

• При остаточной намагниченности обмотки, когда тока возбуждения нет, в якоре возникает остаточная ЭДС (Е₀), значение которой выше нуля.
• С ростом тока возбуждения усиливается магнитное поле, однако при достижении магнитного насыщения обмотки ЭДС остается на тех же значениях, даже при дальнейшем увеличении тока.

Двигатели этого типа обеспечивают высокую точность управления и стабильность в работе, что делает их востребованными в промышленной сфере.

Одним из важных характеристик ДПТ является внешняя взаимосвязь между питающим напряжением (U) и током нагрузки (Iн), подаваемым на якорную обмотку. Эта связь рассчитывается по формуле:

U = Е – (Iн × Rя),

где:

• Е — электродвижущая сила якоря;
• Iн — ток нагрузки;
• Rя — сопротивление якорной обмотки.

Данная формула позволяет анализировать, как изменяется напряжение с учетом силы тока и сопротивления обмотки. Это важно для точной настройки и использования электродвигателя на производстве.

Последовательное возбуждение

В этом случае якорная и обмотка возбуждения соединены последовательно, что означает равенство токов якоря и возбуждения (Iя = Iв). Для обеспечения стабильной работы сопротивление этих обмоток должно быть небольшим, что достигается использованием катушек с толстым проводом и минимальным количеством витков.

Ключевые особенности:

• Отсутствие характеристики холостого хода. Из-за последовательного соединения якорной и возбуждающей обмоток двигатель не может функционировать без нагрузки.
• Максимум внешней характеристики. При высоком значении тока нагрузки магнитная система насыщается полностью, из-за чего рост магнитного потока останавливается. Это снижает выходное напряжение из-за падения напряжения на якорной обмотке.

Двигатели последовательного возбуждения идеально подходят для тяговых задач, где требуются высокие пусковые моменты. Они широко используются в локомотивах, трамваях, метро и других видах транспорта.

Параллельное возбуждение

В таких электродвигателях обмотка возбуждения подключается параллельно якорной цепи. Обмотка возбуждения потребляет лишь малую часть общего тока (примерно 1 %), оставляя основную часть для питания якоря.

Преимущества параллельного возбуждения:

• Энергоэффективность. Благодаря параллельному подключению общий ток делится между обмотками, что снижает энергопотребление обмотки возбуждения.
• Отсутствие необходимости в дополнительном источнике. Обмотка возбуждения питается от того же источника, что и якорь. Это упрощает конструкцию и эксплуатацию.

Такие двигатели чаще всего применяются в системах, где требуется стабильная скорость вращения независимо от нагрузки.

Смешанное возбуждение

Электродвигатели со смешанным возбуждением оснащены двумя обмотками возбуждения:

• Параллельная обмотка: подключается параллельно якорной обмотке, имеет высокое сопротивление.
• Последовательная обмотка: включается последовательно с якорной обмоткой, характеризуется низким сопротивлением.

Варианты подключения обмоток:

1. Согласное включение.
   • В этом случае магнитные потоки обеих обмоток складываются.
   • Выходное напряжение остается стабильным при изменяющейся нагрузке. Это связано с тем, что увеличение нагрузки вызывает рост магнитного потока в последовательной обмотке, что компенсирует размагничивающий эффект якоря и снижение напряжения.
   • Такие двигатели подходят для механизмов, требующих постоянство рабочих параметров.
2. Встречное включение.
   • Потоки обмоток направлены противоположно друг другу.
   • Характеристики отличаются резким падением напряжения при увеличении тока нагрузки, вызванным размагничиванием.
   • Такие двигатели чаще всего применяются в сварочном оборудовании, где требуется поддержание горения дуги с крутопадающими внешними характеристиками.

Электродвигатели со смешанным возбуждением стоит использовать для задач, требующих точной регулировки выходных параметров и стабильной работы в различных режимах нагрузки.

Марки электродвигателей постоянного тока

Марки электродвигателей постоянного тока указывают на их конструктивные особенности, назначение и рабочие параметры.

Основные обозначения таковы:

Маркировка обеспечивает быстрый выбор подходящего оборудования для решения конкретных задач.

Способы эксплуатации и области применения

Работа электродвигателей оборотна, поэтому их также можно использовать как генераторы.

Электродвигатель

Электродвигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическое вращение, что позволяет использовать его для таких целей:

• перекачка жидкостей и газов;
• перевозка и подъем грузов;
• обработка различных материалов.

Ключевыми преимуществами ДПТ являются:

• Регулировка скорости. Изменение напряжения через частотный преобразователь позволяет точно настраивать скорость вращения, оптимизируя работу оборудования.
• Плавный запуск. Постепенное повышение напряжения снижает износ двигателя, предотвращая резкие механические нагрузки.

Современные системы автоматизации позволяют управлять ДПТ в автономном режиме:

• термостаты регулируют скорость насосов в отопительных системах;
• аварийные контроллеры отключают двигатель при перегреве;
• реле давления управляют подачей жидкости в трубопроводах.

Эти возможности делают двигатели постоянного тока незаменимыми в промышленности и инженерных системах.

Генератор

При оборотной работе электродвигатель постоянного тока превращается в генератор: механическая энергия вращает ротор, создавая электрический ток, снимающийся через щетки.

Основные области применения:

• Электростанции. Ротор начинает двигаться под воздействием воды, пара или побочных газов, обеспечивая автономную генерацию энергии.
• Мини-электростанции. ДВС вращает ротор, снабжая электричеством стройплощадки и удаленные объекты.

Для продления срока службы генератора нагрузка на ротор минимизируется. Параметры тока корректируются с помощью выпрямителей, резисторов и инверторов.

Универсальный электродвигатель

Этот тип двигателя способен работать как от переменного, так и от постоянного тока. Дополнительная секционная обмотка возбуждения обеспечивает совместимость с обоими типами питания.

Основное применение — бытовая техника высокой мощности. В стандартном режиме двигатель питается переменным током (230 В, 50 Гц) и развивает до 3000 об/мин. Для увеличения скорости ток предварительно выпрямляется и подается на щеточный коллектор.

Электродвигатели постоянного тока широко используются в промышленных отраслях, требующих точного регулирования скорости и крутящего момента.

Их применение охватывает следующие сферы:

• Металлургическое производство — приводы прокатных станов, волочильных машин и металлорежущих станков.
• Горнодобывающая отрасль — конвейеры, подъемные механизмы шахт, вентиляторы для шахтной вентиляции.
• Нефтегазовая промышленность — насосные агрегаты, буровые установки, компрессоры.
• Химическое и фармацевтическое производство — дозаторы, мешалки, экструдеры, реакторные установки.
• Электроэнергетика — приводы вспомогательного оборудования электростанций, насосы для подачи охлаждающей жидкости.

Благодаря высокой точности управления и возможности работы в тяжелых условиях ДПТ остаются востребованными в процессах, где критичны надежность и эффективность.

Преимущества и недостатки

Электродвигатели постоянного тока имеют много достоинств, среди которых выделим такие:

• Легкое управление скоростью. Линейная зависимость преобразования энергии позволяет точно определять обороты ротора или генератора. Это делает пуск более плавным, а регулировку скорости удобной.
• Универсальность механизма. Коллекторные двигатели подходят для большинства целей, а использование стандартных моделей упрощает наладку и обслуживание.
• Компактность. Простая структура с минимальным количеством составляющих частей делает такие двигатели удобными в установке и эксплуатации.

Эти качества позволяют использовать двигатели постоянного тока на промышленных предприятиях.

Конечно, у них есть и недостатки:

• Ограниченный срок службы узлов. Коллектор и щетки изнашиваются быстрее, требуя регулярной замены.
• Повышенные требования к обслуживанию. Профилактика и уход за коллекторно-щеточными узлами занимают дополнительное время.
• Необходимость преобразования тока. Для работы в сетях с переменным напряжением требуется установка выпрямителей.
• Высокая стоимость производства. Изготовление якорей обходится дороже по сравнению с другими типами электродвигателей.

Эти нюансы нужно учитывать при выборе двигателя для конкретных условий эксплуатации.

Главными конкурентами таких агрегатов являются асинхронные двигатели, но их применение требует усложнения электрической схемы сети. Потому предпочтение чаще отдают электродвигателям постоянного тока.

Типы неисправностей

Электродвигатели постоянного тока часто применяются в энергетической отрасли и на производствах с тяжелыми условиями эксплуатации, где важно регулировать скорость вращения. Однако даже при аккуратном использовании агрегаты подвержены поломкам, которые можно разделить на четыре основные категории:

1. Проблемы с изоляцией и обмотками. Превышение температуры или короткое замыкание приводят к разрушению изоляции и изменению формы обмоток. Часто о том, что двигатель скоро сломается, говорят его шумная работа и перегрев корпуса.
2. Отказ питания. При полной остановке двигателя причиной может быть обрыв обмотки, что нередко связано с повреждением витков из-за неправильной эксплуатации. Иногда обмотка подлежит восстановлению без замены.
3. Вибрации и стуки. Они могут возникать из-за выхода из строя вала или повреждения подшипников. Это приводит к дальнейшему разрушению деталей, включая коллектор.
4. Расхождение между показателями двигателя и его настройками. Поломка преобразователя тока или катушек может нарушить точность регулировки скорости ротора или параметры генерации.

При первых признаках неисправностей важно сразу отключить электродвигатель и передать его на профессиональный ремонт. Это поможет избежать серьезного повреждения оборудования.

Где купить электрический двигатель постоянного тока

Предлагаем приобрести электродвигатель постоянного тока в компании «Насосэнергомаш». Мы поставляем только сертифицированное отечественное оборудование и комплектующие. Поэтому вы можете быть уверены в качестве покупаемой продукции.

Сотрудничая с нами, вы получаете:

• консультации квалифицированных менеджеров, которые расскажут об особенностях товара и помогут выбрать подходящий агрегат;
• гарантийное и постгарантийное обслуживание;
• доставку любым удобным способом: почтой, транспортной компанией или курьером;
• дополнительные скидки на оборудование.

Звоните, чтобы получить консультацию. Мы с радостью ответим на все вопросы.

🞢