Статор (индуктор)

     На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения).

     В простейшем случае статор имеет два  полюса, то есть один магнит с одной  парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют  две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации.

     Ротор (якорь)

     Ротор состоит из электромагнитов с  переключаемой полярностью, датчика  положения ротора и переключателя (в обычных машинах это функции  коллектора). В простейшем случае, ротор состоит из одного электромагнита с двумя полюсами, то есть имеет одну пару полюсов, при этом есть две «мёртвые точки», из которых невозможен самозапуск двигателя.

     Ротор с тремя полюсами (условно полторы  пары) имеет наименьшее число полюсов  ротора, при которых самозапуск возможен из любого положения ротора. На самом деле, один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет неявные две пары полюсов.

     Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).

     При вычислении момента инерции ротора его, в первом приближении, можно считать сплошным однородным цилиндром с моментом инерции, равным:

      ,

     где   — масса цилиндра (ротора), 
а   — радиус цилиндра (ротора).

     Коллектор

     Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

     Конструкции коллекторов имеют множество  разновидностей.

     Выводы  всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

     Щёточный  узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

     Щётки с большой частотой размыкают  и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходятпереходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов.

     При больших токах в роторе ДПТ  возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора недопустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

3. Конструктивное разнообразие электродвигателей постоянного тока

     Классификация.

     ДПТ классифицируют по виду магнитной системы  статора:

• с постоянными магнитами;
• с электромагнитами:

• с независимым включением обмоток (независимое возбуждение);
• с последовательным включением обмоток (последовательное              возбуждение);
• с параллельным включением обмоток (параллельное возбуждение);
• со смешанным включением обмоток (смешанное возбуждение):
• с преобладанием последовательной обмотки;
• с преобладанием параллельной обмотки;

     Вид подключения обмоток статора  существенно влияет на тяговые и  электрические характеристики электродвигателя.

     Разновидности.

     Коллекторные, с щёточноколлекторным переключателем тока:

     С одним коллектором (щёточноколлекторным узлом) и   обмотками, где   — число пар полюсов ротора, с соединением обмоток ротора в кольцо (по этой классификации двигатель на рис. 2 является полуторным, имеет полторы пары полюсов и   обмотки ротора). Имеют большую, короткозамкнутую щётками, часть обмотки ротора, равную:

      , где   — число щёток,   — угловая ширина одной щётки (рад),   — число пи (3,14…).

     С двумя коллекторами (щёточноколлекторными узлами, в бесколлекторных — с инвертором на двух параллельных мостах) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусный, двухфазный) с неоднородным (синусообразным) магнитным полем полюсов статора. Имеют малую нерабочую часть под кривой крутящего момента, равную:

      ,

     где  , a   — угловая ширина зазора между пластинами коллектора (ламелями).

     Подобен двухфазному бесколлекторному.

     С тремя коллекторами и тремя обмотками (в бесколлекторных с инвертором на трёх параллельных мостах, трёхфазный).

     С четырьмя коллекторами (щёточноколлекторными узлами) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусные), специальные. Специальная конструкция коллектора с четырьмя коллекторами (один коллектор на одну щётку) позволяет почти до нуля уменьшить нерабочую часть крутящего момента (нерабочая часть крутящего момента в этом двигателе зависит от точности изготовления деталей) и сделать используемую часть крутящего момента независимой от угловой ширины щётки. При этом угловая ширина одной пластины коллектора равна:

      , где   — угловая ширина одной щётки.

     С четырьмя коллекторами и четырьмя обмотками (в бесколлекторных — с инвертором на четырёх параллельных мостах, четырёхфазный).

     С восемью коллекторами (щёточноколлекторными узлами). В этом двигателе уже нет рамок, а ток подаётся через коллекторы в отдельные стержни ротора.

     Бесколлекторные, с электронным переключателем тока

     Электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР) (вентильный электродвигатель).

     Ротор является постоянным магнитом, а обмотки  статора переключаются электронными схемами — инверторами. Бесколлекторные электродвигатели могут быть однофазными (две «мёртвые точки»), двухфазными (синусно-косинусными), трёх- и более фазными.

     Бесколлекторный двигатель постоянного тока с выпрямителем (мостом) может заменить универсальный коллекторный двигатель (УКД). 

     Другие  виды электродвигателей постоянного тока

• Униполярный электродвигатель (униполярный генератор)

     Униполярный электродвигатель — разновидность  электрических машин постоянного  тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси  вращения диска, 1 токосъёмник на оси  диска и 2-ой токосъёмник у края диска.

      

     Рис. 7. Проводящий диск в магнитном поле.

     Первый  униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу, описав его  в книге «Исследование магнитных  притяжений», опубликованной в 1824 году.

     Колесо  Барлоу представляло из себя два медных зубчатых колеса, находящихся на одной оси. В результате взаимодействия тока, проходящего через колёса с магнитным полем постоянных магнитов колёса вращаются.

     Барлоу  выяснил, что при перемене контактов  или положения магнитных полюсов  происходит смена направления вращения колёс на противоположное.

• Универсальный коллекторный двигатель,— работает и на постоянном токе, и на переменном. Применяется в ручных электроинструментах (электродрели, электролобзики, электропилы, электрорубанки и др.), пылесосах, кофемолках, блендерах и др.

     

     Рис. 8. Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

     Особенности конструкции.

     Строго  говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем  постоянного тока с последовательно  включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону.

     Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого  материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин.

     Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что  в режиме малых оборотов (пуск и  перегрузка) индуктивное сопротивление  обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

     Реверсирование  УКД осуществляется переключением  полярности включения обмоток только статора или только ротора.

3. Механическая характеристика

 

     В электротехнике принято различать  естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Естественная характеристика соответствует номинальным (рабочим) условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.