Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока

В повседневной жизни нас окружает множество электроприборов. Основным элементом некоторых из них является двигатель. В одной из наших статей мы уже рассказывали о том, как устроен и работает двигатель переменного тока. Сегодня в нашей статье мы рассмотрим устройство и принцип действия двигателя постоянного тока.
Устройство (схема) двигателя постоянного тока
Конструкция электродвигателя постоянного тока состоит из следующих элементов:

1. вал электродвигателя, на который устанавливаются остальные детали.
2. якорь (ротор) двигателя, который включает в себя:

2.1. сердечник якоря, представленный в виде набора пластин из специальной электротехнической стали;
2.2. якорная обмотка;
2.3. коллектор;
2.4. главный полюс, представляющий собой набор пластин из электротехнической стали. Для двигателей малых размеров полюсы изготавливаются из постоянных магнитов;
2.5. обмотка возбуждения;
2.6. монолитные добавочные полюса (в двигателях малых размеров не применяются) предназначены для улучшения коммутации и располагаются между главными полюсами;
2.7. обмотка из эмалированных проводов добавочного полюса;
3. корпус электродвигателя, который чаще всего выполняется из чугуна, так как данный материал обеспечивает возможность эксплуатации электродвигателя в местах с агрессивной средой и обладает высоким уровнем устойчивости к износам. Также для улучшения корпус двигателя может изготавливаться со специальными ребрами, которые обеспечивают термический баланс электродвигателя. Полюсы, образующие индуктор, а также якорь, устанавливаются в корпус двигателя.
4. клеммная коробка. Концы обмоток полюсов двигателя выводятся в клеммную коробку, в которой установлены клеммы с подключенными концами обмоток индуктора и клеммы для подключения щеток якоря. Также предусмотрено одно-два отверстия для установки сальников, через которые заводятся  силовые кабели для подключения питания. В машинах малой мощности выводы обмоток размещаются в клеммной коробке, при этом один из зажимов добавочных полюсов и один из зажимов якоря (щеточная траверса) соединены наглухо внутри машины, а в клеммную коробку выведены другие зажимы якоря и добавочных полюсов. В крупных машинах с высоким номинальным током клеммная коробка отсутствует, а выводные концы размещаются в нижней части станины машины. При этом выводные концы параллельной цепи выполняются в виде жил кабелей с наконечниками, последовательной - в виде шин.

Также в конструкции присутствуют такие элементы:

• передний и задний подшипниковые щиты, а также внутренние подшипниковые крышки, которые прикручиваются к подшипниковым щитам;
• щеточный узел, который состоит из кронштейна, щеткодержателей и щеток (графитовых или металло-графитовых). Данный узел крепится на выпуклой части подшипниковой крышки заднего подшипникового щита. Он предназначен для подвода "питания" к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках якоря;
• вентилятор охлаждения, обеспечивающий поддержание низкой рабочей температуры;
• подшипниковые щиты;
• подшипники;
• наружные подшипниковые крышки, закрывающие подшипники;
• проушины или рым-болты, которые упрощают погрузочно-разгрузочные работы и монтаж двигателя;
• лапы, которые обеспечивают низкий уровень вибрации электродвигателя во время работы;
• защитный кожух вентилятора и кожух выхода воздуха обдува;
• шильдик, на котором указывается основные характеристики двигателя.
Способы подключения электродвигателя постоянного тока
Двигатели постоянного тока производятся зачастую с параллельным, последовательным и независимым типом возбуждения. В зависимости от типа возбуждения маркировка контактов в клеммной коробке различается. Исходя из вида возбуждения, выполняется различное подключение питающего кабеля.

Для начала рассмотрим подключение кабеля к клеммам электродвигателя с независимым возбуждением обмоток.

В кабельный ввод заводим два двухжильных кабеля с жилами серого и синего цветов. Выполняем зачистку кабеля и жил, после чего надеваем на них кабельные наконечники.

После оконцевания производим подключение жил согласно схеме на внутренней стороне крышки клеммной коробки. Для данного подключения используем схему для двигателей с независимым возбуждением, когда напряжение на обмотки возбуждения и якорь двигателя подаются от независимых источников.

Жилы кабелей подключаем по следующей схеме:

• жила синего цвета первого кабеля - клемма Н1;
• жила серого цвета первого кабеля - клемма Н2;
• жила серого цвета второго кабеля - клемма Д2;
• жила синего цвета второго кабеля - клемма Я2.

Теперь рассмотрим подключение электродвигателя с параллельным и последовательным возбуждением обмоток. Для этого заводим один двухжильный кабель с жилами серого и синего цветов и зачищаем. После этого надеваем на токопроводящие жилы кабельные наконечники.

Для подключения последовательного возбуждения между контактами в определенном порядке устанавливается гибкая перемычка с двух сторон между клеммами С2 и Я2 при помощи провода с наконечниками. Питающий кабель подключаем по следующей схеме:

• жила серого цвета первого кабеля - клемма Д2;
• жила синего цвета первого кабеля - клемма С1.

Для подключения параллельного возбуждения устанавливаем перемычки между контактами Д2 и Ш1 и между контактами Я2 и Ш2. Питающий кабель подключаем следующим образом:

• жила серого цвета - клемма Д2 или Ш1;
• жила синего цвета - клемма Я2 или Ш2.

Принцип работы коллекторного электродвигателя постоянного тока
При подаче питающего напряжения ток проходит сквозь обмотку возбуждения. У смежных полюсов возникает противоположная полярность, из-за чего образуется своеобразный магнит с постоянным магнитным полем. На якорь двигателя через коллектор подаётся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует электромагнитная индукция. В результате создаётся вращающий момент, поворачивающий ротор на 90 электрических градусов. После этого щёточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора, и вращение продолжается.

Устройство (схема) коллекторного двигателя позволяет изменить направление вращения якоря двигателя. Для этого необходимо поменять направление тока в обмотках возбуждения или обмотке якоря. Это достигается путем изменения полярности питающих жил в клеммной коробке, для чего необходимо поменять плюс с минусом местами. В этом случае подключение коллекторного двигателя производят таким образом:

• жила серого цвета – клемма Н1 (или Я2);
• жила синего цвета – клемма Н2 (или Д2).

При одновременной смене полярности в цепях возбуждения и якоря направление вращения не изменится.

Чтобы изменить направление вращения якоря двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, необходимо поменять направление тока в обмотках возбуждения или обмотке якоря.

Для этого устанавливаем оконцованные с двух сторон перемычки между контактами С1, Д2 и С2 с помощью провода серого цвета.

Далее подсоединяем питание по схеме:

• жила серого цвета - клемма С1;
• жила синего цвета - клемма Я2.

Также перемычки между клеммами С1, Д2 и С2 можно установить с помощью провода синего цвета. В таком случае питание подается по следующей схеме:

• жила серого цвета - клемма Я2;
• жила синего цвета - клемма С1.

Стоит отметить, что при одновременном изменении полярности в цепях возбуждения и якоря направление вращения вала не изменится.

Реверсирование двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением лучше производить с помощью изменения направления электрического тока в обмотке якоря. Это вызвано тем, что если в обмотке возбуждения произойдет обрыв провода, то ЭДС возрастет до критических значений, что приведет к пробою изоляции проводов.

Таким образом, мы рассмотрели устройство, принцип работы и способы подключения двигателя постоянного тока. Вы также можете посмотреть наше видео, в котором мы детально показали и рассказали, из каких элементов состоит двигатель постоянного тока, принцип его работы и возможные способы подключения.