Двигун постійного струму

• 1834 Якобі Борис Семенович побудував електродвигун, заснований на принципі тяжіння і відштовхування між електромагнітами.

• 1839 Якобі Борис Семенович побудував човен з електродвигуном постійного струму.

Колекторні ДПС були одним з перших комерційно важливих застосувань електроенергії для підняття вантажів, а системи розподілу постійного струму використовувались понад 100 років для живлення таких моторів в комерційних та індустріальних будівлях.

Принцип дії двигуна постійного струму.

Принципу роботи електродвигуна постійного струму може бути дано два описи:

• рухома рамка (два стрижні з замкнутими кінцями) зі струмом в магнітному полі індуктора.

або

• взаємодія магнітних полів індуктора та якоря

Рамка зі струмом, в однорідному магнітному полі полюсів статора з індукцією ${\displaystyle B\,\!}$, на два стрижні рамки довжиною ${\displaystyle L\,\!}$, та зі силою струму ${\displaystyle I\,\!}$, діє сила Ампера ${\displaystyle F\,\!}$, постійної величини, що дорівнює:

${\displaystyle F=B\cdot I\cdot L\,\!}$ і спрямовані в різні сторони

Ці сили прикладаються до плечей  ${\displaystyle p\,\!}$, що дорівнюють:

${\displaystyle p=r\cdot \sin(w\cdot t)\,\!}$, де ${\displaystyle r\,\!}$ — радіус рамки;

і створюють крутний момент ${\displaystyle M_{k}\,\!}$, що дорівнює:

${\displaystyle M_{k}=F\cdot p=B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)\,\!}$.

Для двох стрижнів рамки, сумарний крутний момент дорівнює:

${\displaystyle M_{k}s=2\cdot M_{k}=2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)\,\!}$.

Практично (через те, що кутова ширина щітки (в радіанах) трохи менше кутової ширини зазору, між пластинами (ламелями) колектора, щоб джерело живлення не замикалося накоротко) чотири невеликих частини під кривою крутного моменту, дорівнюють:

${\displaystyle 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \int \limits _{0}^{\delta /2}\sin(w\cdot t)d(w\cdot t)}$, де ${\displaystyle \delta =\beta -\alpha \,\!}$,

не беруть участі у створенні загального крутного моменту.

При кількості витків в обмотці ${\displaystyle s\!}$, крутний момент буде дорівнювати:

${\displaystyle M_{s}=s\cdot 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)\,\!}$.

Найбільший крутний момент буде при куті повороту рамки, що дорівнює: ${\displaystyle \pi /2\,\!}$, тобто при куті 90 °.

При цьому куті повороту рамки зі струмом, вектора магнітних полів статора і ротора (рамки) будуть перпендикулярні один до одного, тобто під кутом 90 °. При куті повороту ротора (рамки) на 180 °, крутний момент дорівнює нулю (через нульове плече), але сили не дорівнюють нулю і це положення ротора (рамки), за відсутності перемикання струму, досить стійке і подібне одному кроку в кроковому двигуні.

Без обліку короткозамкнутих щітками частин крутного моменту середній крутний момент за один оборот (період) дорівнює площі під інтегральною кривою крутного моменту, поділеній на довжину періоду :${\displaystyle (2\cdot \pi )}$:

${\displaystyle Mkrsr=\left(2\cdot \int \limits _{0}^{\pi }B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/(2\cdot \pi )=B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \left(\int \limits _{0}^{\pi }\sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/\pi }$.

При ${\displaystyle s\!}$ витків в обмотці:

Ротор

${\displaystyle Mkrsr=s\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \left(\int \limits _{0}^{\pi }\sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/\pi }$.

Схеми паралельного (a), послідовного (b) та змішаного (c) збудження

ДПС класифікують по виду магнітної системи статора:

• з постійними магнітами;
• з електромагнітами:
  • з незалежним включенням обмоток (незалежне збудження);
  • з залежним включенням обмоток:
    • з послідовним включенням обмоток (послідовне збудження);
    • з паралельним включенням обмоток (паралельне збудження);
    • зі змішаним включенням обмоток (змішане збудження):
      • з переважанням послідовної обмотки;
      • з переважанням паралельної обмотки;

Вид підключення обмоток статора істотно впливає на електромеханічну та механічну характеристики електродвигуна.

ДПС застосовують у промислових і транспортних електроприводах, пристроях автоматики, підйомних кранах, на прокатних станах тощо.

• Крани різних важких виробництв.

• Привід, з вимогами регулювання швидкості в широкому діапазоні та високим пусковим моментом.

• Тяговий електропривод тепловозів, електровозів, теплоходів, кар'єрних самоскидів та ін.

• Електричні стартери автомобілів, тракторів та ін. Для зменшення номінальної напруги живлення в автомобільних стартерах застосовують двигун постійного струму з чотирма щітками. Завдяки цьому еквівалентну комплексне опір ротора зменшується майже в чотири рази. Статор такого двигуна має чотири полюси (дві пари полюсів). Пусковий струм в автомобільних стартером близько 200 ампер. Режим роботи — короткочасний.

Переваги:

• простота будови та управління;
• практично лінійні механічна і регулювальна характеристики двигуна;
• легко регулювати частоту обертання;
• хороші пускові властивості (великий пусковий момент), (найбільший пусковий момент у ДПС з послідовним збудженням);
• компактніше інших двигунів (якщо використовувати сильні постійні магніти в статорі);
• оскільки ДПС є обертовими машинами, з'являється можливість використання їх як в руховому, так і в генераторному режимах.

Недоліки:

• дорожнеча виготовлення;
• для живлення електродвигуна від мережі змінного струму необхідно використовувати випрямні пристрої;
• необхідність профілактичного обслуговування колекторно-щіткових вузлів;
• обмежений термін служби через зношення колектора.

(Останні два недоліки на сучасному етапі розвитку ДПС майже не відчутні).

• Електродвигун
• Електротехніка
• Машина постійного струму

• Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.

• Електромеханічні властивості двигунів постійного струму