3. Двигуни постійного струму

Принцип дії двигуна постійного струму оснований на наступному явищі. Якщо провідник, по якому проходить електричний струм, помістити між двома полюсами магніту (рис.3.1.), то на нього буде діяти сила. Напрямок цієї сили , а звісно, і рух вільного провідника залежить від напрямку струму в провіднику і полярності полюсів. Користуючись правилом лівої руки, неважко визначити, в яку сторону під дією сили стане переміщуватися провідник (рис. 3.1.).

Рис. 3.1- Провідник зі струмом, розміщений між полюсами магніту

Провідник буде рухатися поступально. А як отримати обертальний рух? Для цього провідник вигинають в вигляді рамки і прикріплюють на вісь. Початок і кінець рамки з’єднують з кільцями, які закріплені на тій же вісі. Кільця за допомогою щіток підключають до джерела електричної енергії, наприклад, до акумуляторної батареї.

Як тільки по рамці піде струм, на верхній і нижній її провідник стануть діяти дві рівні, направлені в протилежні сторони сили, і рамка почне повертатися. Такі сили називають парою сил. Пара сил створює обертальний момент.

Коли рамка займе горизонтальне положення, обертання її закінчиться, так як плече пари сил (найкоротша відстань між напрямками сил) виявиться рівною нулю. Якщо в рамку з струмом проти волі повернути далі в сторону її попереднього обертання, вона повернеться в горизонтальне положення. Це відбудеться тому, що момент, який створюється парою сил, і діючий на рамку, змінить напрямок на протилежний. Але як же заставити рамку обертатися? Для цього потрібно, як тільки рамка займе горизонтальне положення, або змінити напрям струму у витку, або полярність полюсів.

У сучасних двигунах з допомогою спеціального пристрою - колектори змінюють напрямок струму в провіднику. В самому простому випадку, коли рамка складається тільки з одного витка колектор роблять у вигляді двох ізольованих один від одного напівкіл, до яких притискаються щітки, що підводять струм до витка від джерела електричної енергії (рис. 3.2.).

Рис. 3.2- Найпростіший колектор

Тепер, як тільки рамка займе горизонтальне положення, напрямок струму в її витку зміниться на протилежний внаслідок того, що півкільця з'єднаються зі щітками протилежної полярності. Рамка почне обертатися.

Але такий найпростіший двигун, що складається з одного витка, буде працювати ривками і розвивати дуже незначну потужність. Дійсно, коли виток займе горизонтальне положення, плече пари діючих сил стане рівним нулю і обертаючий момент зникне. Проте за інерцією рамка буде продовжувати обертатися. За мірою повороту плече пари діючих сил знову збільшиться при. вертикальному положенні рамки знову стане невеликим.

Надалі обертаючий момент знову почне зменшуватися, для того щоб отримати постійний обертовий момент, між двома магнітами поміщають не один, а кілька десятків або сотень навіть декілька провідників, розташованих на сталевому сердечнику. Ці провідники в строго визначеному порядку з’єднуються між собою і з колектором, що складається тепер не з двох кілець, а з великого числа ізольованих один від одного пластин. Сердечник і колектор насаджують на загальний вал. Обертову частина двигуна, що складається з вала, сердечника з обмоткою та колектора, називають якорем.

В обмотці якоря при перетині її провідниками магнітного поля електрична енергія перетворюється в механічну.

Провідники обмотки якоря з'єднаються між собою так, щоб виникаючі сили взаємодії між струмом і магнітним потоком обертали якр. в одну сторону.

Для простоти пояснення принципу пристрою обмотки розглянемо спочатку якір з кільцевим (троїдальним) сердечником, що застосовувався на початку розвитку двигунів постійного струму (рис. 3.3). Такий якір значно простіше сучасних з сердечниками, які мають форму барабана. Принцип пристрою обмотки. того й іншого типу якоря в основному один і той же.

Рис. 3.3- Кільцевий якір

Припустимо, що на кільцевому сердечнику якоря укладено 16 з’єднаних послідовно між собою витків, які утворюють замкнутий ланцюг.

Якщо колектор складається з 8 пластин (ламелен), як показано на рис. 3.3., то до них підключається кожен другий виток (через один). При 16 пластинах кожен виток з’єднується з однією пластиною колектора. При чотирьох пластинах до них підключається кожен четвертий виток. Витки, включені між двома суміжними пластинами, називають секцією. На рис. 3.3. секції обмотки якоря позначені римськими цифрами I- VII .

Щітки розташовують між полюсами за середньою лінією, яка називається геометричною нейтраллю. Від щітки, до якої підключено позитивний полюс джерела електричної енергії, струм, який іде від джерела, розгалужується. Частина його йде у верхню гілку обмотки, що знаходиться під північним полюсом, а частина - в нижню, розташовану під південним полюсом. Обмотка поділяється на дві паралельні гілки. Провідники зі струмом взаємодіють з магнітним потоком, створюваними полюсами. Виникаючі пари сили будуть прагнути обертати якір. При розташування полюсів магніту і підведенню струму, як показано на рис. 3.3., якір буде обертатися за часовою стрілкою.

Якщо щітки розташують впродовж вісі магнітів, то витки 1, 2, 3, 4 з струмом, які розташовані під північним полюсом, прагнути б обертати якір в одну сторону , а витки 16, 15, 14, 13, які знаходяться під тим же полюсом, - в іншу. Така ж неузгоджена дія виникла б і у витків, які знаходяться під південним полюсом. В результаті якір не зміг би обертатися.

В випадку зрушення щіток двигуна від нейтралі не на 90 градусів, а на менший кут, якір буде обертатися, але обертовий момент його зменшиться, так як частина витків з струмом стане діяти неузгоджено.

Якір з кільцевим сердечником застосовувався довгий час, але надалі внаслідок низки великих недоліків від нього відмовилися. Один з найбільш істотних недоліків такого якоря - погане використання обмотки, або, як кажуть, погано використання міді. Справа в тому, що провідники, що знаходяться всередині кільця, не беруть участь у створенні обертального моменту двигуна. Всередині кільцевого якоря немає магнітного поля, так як силові лінії проходять головним чином по тілу сердечника.

Для того щоб змусити працювати всю обмотку, замість якорів з кільцевим сердечником стали застосовувати барабанні. При барабанних сердечниках вся обмотка укладається на їх поверхні в особливих пазах.

До цих пір при розгляді принципу дії двигуна постійного струму малося на увазі, що магнітний потік, необхідний для його роботи, створюється постійними магнітами. В дійсності ж для створення магнітного потоку застосовують електромагніти, які являють собою котушки зі сталевими сердечниками. Електромагніти, що створюють магнітний потік збудження, називають головними полюсами двигуна.

Залежно від способу живлення котушок головних полюсів (обмоток збудження) двигуни поділяються:

• з паралельним збудженням (шунтові), коли котушки полюсів включені паралельно обмотці якоря;

• з послідовним збудженням, у яких котушки полюсів з'єднані послідовно з обмоткою якоря ;

• з послідовно-параллельним збудженням, що мають дві обмотки збудження - паралельну і послідовну;.

• незалежні, у яких котушки полюсів живляться від стороннього джерела енергії.