Устройство, принцип действия и области применения машин постоянного тока

Введение

Машина постоянного тока – это электрическая машина с коллекторно-щеточным узлом, способная преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока и наоборот. Благодаря обратимости процессов электромеханического преобразования одна и та же машина может работать как генератор постоянного тока или как двигатель постоянного тока. Ниже подробно описана конструкция таких машин, физические принципы их работы, включая взаимодействие тока и магнитного поля, и рассмотрены технические меры для обеспечения надёжной коммутации, а также приведены примеры применения в современной технике.

Конструкция машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (якоря). Конструктивно в состав статора входят массивный корпус (станина), основной магнитопровод и полюсные устройства, а также узлы крепления и подшипниковые щиты. Ротор включает вал с насаженным на него сердечником и обмоткой якоря, коллектор (коммутационный узел) и вспомогательные элементы, такие как вентилятор для охлаждения. Рассмотрим эти части подробнее.

Статор

Статор образует неподвижную магнитную систему машины. Основой статора служит металлический корпус (станина), который одновременно выполняет роль несущей конструкции и части магнитопровода. Поскольку основной магнитный поток в машине постоянного тока не меняет своего направления (имеет неизменную полярность), станину изготавливают из цельной стали (не используя ламинирование), что обеспечивает прочность и хороший магнитный провод. К корпусу крепятся основные полюсы машины – это стальные сердечники, на которых размещены обмотки возбуждения. Сердечники полюсов обычно набираются из листов электротехнической стали с изоляцией между ними. Ламинирование необходимо для снижения вихревых токов и потерь на перемагничивание, поскольку при вращении якоря в полюсных наконечниках возникают небольшие пульсации магнитного потока.

Полюсы разделяются на главные и дополнительные. Главные полюсы предназначены для создания основного магнитного потока: на каждый главный полюс намотана катушка обмотки возбуждения, через которую протекает ток возбуждения, создающий магнитное поле в воздушном зазоре. Дополнительные полюсы (их ещё называют компенсирующими или межполюсными) располагаются между главными и служат для улучшения коммутации – они создают локальное магнитное поле, компенсирующее искажения основного поля в зоне коммутации (нейтрали). На статоре также закреплены подшипниковые щиты с подшипниками, поддерживающими вал ротора, и лапы или крепёжные основания, с помощью которых машина фиксируется на фундаменте или раме. Кроме того, на станине обычно устанавливается клеммная коробка – защитный корпус с выводами обмоток для подключения машины к внешней электрической цепи.

В классических машинах постоянного тока магнитное поле создаётся электромагнитными обмотками возбуждения на полюсах. Однако существуют конструкции с постоянными магнитами вместо обмотки возбуждения (особенно в машинах малой мощности и приводах постоянного тока типа PMDC) – в таких машинах статор содержит постоянные магниты, что упрощает конструкцию (отсутствует обмотка возбуждения и необходимость в токе возбуждения), хотя принцип действия остаётся тем же.

Ротор (якорь)

Ротор, называемый якорем машины постоянного тока, представляет собой вращающуюся часть, где индуцируется ЭДС (электродвижущая сила) или возникает крутящий момент в зависимости от режима работы. Ротор состоит из вала, на котором напрессован сердечник якоря с размещённой в нём обмоткой, а также из коллектора, закреплённого на том же валу.

Сердечник якоря изготавливается из тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком или оксидной плёнкой. Ламинирование сердечника необходимо, поскольку в нём при вращении постоянно перемещаются проводники обмотки относительно магнитного поля, что приводит к изменению магнитного потока через части сердечника и, без ламинирования, вызывало бы большие потери на вихревые токи. В пластинах сердечника выбиты продольные пазы, в которых уложена обмотка якоря. Обмотка якоря выполняется из медного обмоточного провода и, как правило, представляет собой множество секций, уложенных в пазы определённым образцом (волновая или петлевая обмотка). Концы секций обмотки присоединены к пластинам коллектора согласно схеме соединения обмотки.

Коллектор – узел коммутации, механический выпрямитель тока. Он выполнен в виде цилиндра из ряда медных сегментов (пластин), изолированных друг от друга и от вала (обычно слюдяными прокладками или другим диэлектриком). Каждый сегмент коллектора соединён с определённой секцией обмотки якоря. По сути, коллектор вращается вместе с якорем и служит для периодического переключения подключения секций обмотки к внешней цепи через щётки. К коллектору снаружи прилегают щётки – изготовленные обычно из графитового или меднографитового материала контактные бруски, прижатые к поверхности коллектора пружинами. Щётки устанавливаются в щёткодержателях фиксированно на статоре. Благодаря скользящему контакту щёток с сегментами коллектора во время вращения, происходит коммутация токов: в каждом проводнике обмотки якоря направление тока автоматически меняется дважды за один оборот, что необходимо для правильного формирования постоянного тока на выходе генератора или постоянного крутящего момента в двигателе. Работа коллектора и щёток подробно рассмотрена ниже в разделе о коммутации.

Вал ротора опирается на подшипники, установленные в упомянутых подшипниковых щитах статора, обеспечивая свободное вращение якоря. На валу также может быть закреплён вентилятор (рабочее колесо вентилятора), предназначенный для охлаждения машины. Вентилятор прогоняет воздух через внутренности машины при вращении, отводя тепло от обмоток и сердечников. Для машин малой и средней мощности обычно достаточно встроенного вентилятора с внешним защитным кожухом. В мощных машинах постоянного тока могут применяться и более сложные системы охлаждения (например, отдельные нагнетатели воздуха или жидкостное охлаждение), о чём сказано далее.

Принцип действия машины постоянного тока

Принцип работы машины постоянного тока основан на двух фундаментальных физических эффектах: электромагнитной индукции и электромагнитной силе на проводник с током. Благодаря этим явлениям одна и та же машина способна либо генерировать ЭДС (и ток) при вращении в магнитном поле – работая как генератор, либо создавать механический вращающий момент при протекании тока через обмотку в магнитном поле – работая как двигатель. В основе лежит взаимодействие магнитного поля статора (созданного либо обмоткой возбуждения, либо постоянными магнитами) и токов в проводниках обмотки якоря. Рассмотрим оба режима работы:

Генераторный режим (принцип работы генератора постоянного тока)

Если вал машины постоянного тока вращается от внешнего механического привода (например, от турбины или двигателя внутреннего сгорания), то машина функционирует как генератор постоянного тока. При вращении якоря его проводники (витки обмотки) пересекают магнитные силовые линии основного поля статора. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в каждом проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), величина которой пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пересекаемого проводником. В упрощённой форме для одного активного проводника можно записать:

e = - \frac{d\Phi}{dt}

где Φ – магнитный поток, сцепленный с контуром (витком) проводника, t — время. Знак минус отражает правило Ленца, указывающее направление индуцированной ЭДС, противодействующее изменению потока.

В контексте генератора постоянного тока проводники обмотки якоря расположены таким образом, что при вращении ротора каждый проводник попеременно проходит под северным (N) и южным (S) полюсом статора, испытывая переменный магнитный поток. В результате в проводнике наводится переменная (пульсирующая) ЭДС. Если бы к концам обмотки якоря были напрямую подключены скользящие контактные кольца (как в генераторах переменного тока), то на внешней нагрузке мы получили бы переменное напряжение. Однако за счёт конструктивных особенностей – наличия коллектора, состоящего из половинок или сегментов – происходит механическое выпрямление этой ЭДС. В простейшем случае для демонстрации принципа работы генератора постоянного тока используют рамку (петлю) проводника и два полуколец-коллектора: когда рамка поворачивается, полуколечки поочерёдно подключают её разные концы к одной и той же щётке, тем самым изменяя полярность подключенных к внешней цепи концов рамки каждые пол-оборота. В результате в щётках, к которым присоединена нагрузка, появляется однонаправленное (постоянное) напряжение. В реальной машине с многосекционной обмоткой якоря и многосегментным коллектором суммирование ЭДС множества проводников и последовательная коммутация сегментов обеспечивают меньшую пульсацию и практически постоянное выходное напряжение постоянного тока.

Направление индуцированной ЭДС и токов генератора определяется правилом правой руки (для движущегося проводника в магнитном поле) или правилом Буравчика. Большим пальцем правой руки указывают направление движения проводника относительно поля, указательный палец – направление магнитного поля (от N к S), тогда средний палец покажет направление наведённой ЭДС (и тока) в проводнике. Конструкция коллектора подключает каждый проводник к внешней цепи именно в те полупериоды, когда наведённая ЭДС имеет нужную полярность, создавая совокупно постоянный ток в нагрузке.

Стоит отметить, что для возбуждения генератора постоянного тока требуется магнитный поток в полюсах статора. В самовозбуждающихся машинах для этого используется остаточная намагниченность полюсов и затем ток, генерируемый машиной, частично подаётся в обмотки возбуждения (например, в шунтовом или смешанном возбуждении) для усиления поля. В машинах с независимым возбуждением ток в обмотки возбуждения подаётся от внешнего источника. Как только в полюсах имеется магнитный поток, вращение якоря приводит к появлению напряжения на выходе генератора. Характеристики генератора (напряжение на холостом ходу, под нагрузкой, и др.) определяются магнитоэлектрическими свойствами машины и влиянием реакции якоря (ослаблением потока под нагрузкой, о чём далее).

Двигательный режим (принцип работы двигателя постоянного тока)

Если к выводам обмотки якоря машины постоянного тока подвести источник постоянного напряжения, то машина начнёт работать в режиме электродвигателя постоянного тока. При подаче напряжения на якорную обмотку через щёточно-коллекторный узел в проводниках якоря устанавливается электрический ток. Одновременно через обмотку возбуждения (если она электромагнитная) также проходит ток, создающий основной магнитный поток в полюсах статора. Теперь проводники с током находятся внутри магнитного поля – на них действует механическая сила согласно закону Ампера. Вектор силы f на каждый активный проводник определяется векторным произведением:

f = B\cdot l \cdot I

где I – ток в проводнике, l – вектор, совпадающий по направлению с проводником (ориентированный вдоль него, величина равна длине активной части проводника в поле), B – вектор магнитной индукции поля. Проще говоря, сила на проводник с током в магнитном поле равна:

f = B \cdot l \cdot I \cdot \sin \alpha

где α – угол между направлением тока и направлением поля (в наилучшем случае sinα = 1, когда проводник перпендикулярен полю). Эта сила приложена к проводнику, закреплённому в роторе, и создает вращающий момент относительно оси двигателя. Суммарный электромагнитный момент на валу машины является результатом действия сил на множество проводников обмотки якоря, распределённых по окружности.

Направление вращения двигателя можно определить с помощью правила левой руки (правило Флеминга для электродвигателя). Левую руку располагают так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно (четыре пальца указывают направление поля от северного полюса к южному), вытянутый большой палец показывает направление тока в проводнике (от плюса источника к минусу через нагрузку), тогда отогнутый на 90° указательный палец (или толкающее усилие на ладонь) покажет направление силы, действующей на проводник. Для каждого проводника внутри поля таким образом определяется локальная сила, а совокупность этих сил создает вращающий момент, раскручивающий ротор.

Однако, чтобы двигатель действительно вращался непрерывно в одном направлении, необходимо учитывать коммутацию: когда проводник переходит из-под зоны одного полюса под другой противоположной полярности, направление силы на него стремилось бы измениться на противоположное (что вызвало бы тормозящий момент). Здесь свою роль снова играет коллекторно-щеточный узел: в тот момент, когда проводник проходит через геометрическую нейтраль (между полюсами), коллектор переключает полярность подключения данного проводника к внешней цепи (источнику), то есть изменяет направление тока в нём. Проводник, оказавшийся под другим полюсом, уже несёт ток обратного направления, и сила продолжает действовать в прежнем направлении вращения. Механическая инерция ротора также помогает сгладить вращение через моменты коммутации. Результатом является устойчивое вращение двигателя при подаче питания, причём направление вращения определяется полярностью подключения (или чередованием полярности полюсов).

Двигатели постоянного тока ценятся за регулируемость скорости и крутящего момента. Из уравнения равновесия в установившемся режиме следует, что на движущемся якоре также наводится противо-ЭДС вращения (генераторная ЭДС, действующая против поданного напряжения). Разность между поданным напряжением и этой ЭДС определяет ток якоря и, соответственно, момент. Скорость вращения двигателя можно изменять изменением подаваемого напряжения на якоре или изменением тока возбуждения (магнитного потока) – оба способа влияют на величину противо-ЭДС при данной скорости и позволяют добиться заданного режима. Такая гибкость в управлении – важное свойство: регулировочные характеристики двигателя постоянного тока обычно лучше, чем у большинства асинхронных двигателей при простых схемах управления. Кроме того, двигатели постоянного тока обладают высокой перегрузочной способностью по моменту: на короткое время они могут развивать момент значительно выше номинального (ограничено только коммутацией и нагревом), что полезно при пуске и рывковых нагрузках.

Крутящая характеристика двигателя постоянного тока может быть как жёсткой, так и мягкой в зависимости от типа возбуждения. Например, двигатель с независимым или параллельным (шунтовым) возбуждением имеет сравнительно жёсткую характеристику – скорость мало меняется с нагрузкой, тогда как двигатель с последовательным возбуждением (сериесный) имеет мягкую характеристику – при возрастании нагрузки скорость существенно падает, но возрастает крутящий момент. Компаундные двигатели занимают промежуточное положение. Эти свойства позволяют подобрать машину постоянного тока под требуемый профиль нагрузки и диапазон регулирования скорости.

Элементы коммутации и реакция якоря

Коммутация в машине постоянного тока – это процесс переключения текущих в секциях обмотки якоря при переходе этих секций из-под одного полюса под другой, с целью обеспечения правильного направления тока в них. За коммутацию отвечает коллекторно-щеточный узел вращающийся многосекционный коллектор на роторе и неподвижные щётки, расположенные в плоскости геометрической нейтрали машины. Когда какая-либо секция обмотки приближается к нейтральной зоне между полюсами, два соседних коллекторных сегмента, к которым она подключена, оказываются под двумя щётками разной полярности. В этот краткий момент данная секция обмотки фактически закорачивается через щётки (оба конца соединены одной щёткой) или подключается к другому полюсу питания, что приводит к изменению направления тока в этой секции на противоположное. Идеальная коммутация предполагает, что к моменту, когда секция полностью выйдет из-под одного полюса и войдёт под следующий, ток в ней успеет переключиться без разрыва и без значительного искрения на щётках.

Однако на практике коммутация осложняется явлением, известным как реакция якоря. Ток, протекающий по обмотке якоря, сам создает магнитное поле (магнитодвижущую силу якоря), которое искажает основное поле машины. В зоне геометрической нейтрали – там, где расположены щётки – реакция якоря может приводить к возникновению поперечного поля, наводящего дополнительную ЭДС в коммутируемой секции в момент коммутации. Если не принять мер, это ведёт к тому, что ток в секции не успевает измениться своевременно, и при размыкании контакта с предыдущей щёткой возникает искра (дуга) между коллекторной пластиной и щёткой. Искрение на коллекторах вызывает эрозию (выгорание) поверхности пластин и износ щёток, что недопустимо при длительной работе.

Чтобы обеспечить надёжную коммутацию без искрения, в машинах постоянного тока применяют конструктивные меры. Одной из них является использование упомянутых дополнительных полюсов (коммутационных полюсов). Дополнительные полюсы устанавливаются в середине межполюсного пространства (между основными полюсами) и питаются током якоря (последовательно с обмоткой якоря), создавая локальное магнитное поле, сдвинутое по фазе так, чтобы компенсировать реакцию якоря в зоне щёток. Поле дополнительного полюса наводит в коммутируемой секции обмотки якоря ЭДС противонаправленную той, что индуцируется реакцией якоря, тем самым ускоряя гашение или перелицовку тока в секции. Правильно настроенные дополнительные полюсы существенно уменьшают искрение и улучшают коммутацию при изменяющихся нагрузках.

Ещё одним средством борьбы с реакцией якоря являются компенсирующие обмотки, которые устанавливаются в пазах главных полюсов (на полюсных башмаках). Компенсирующая обмотка подключается последовательно с якорной и создаёт магнитное поле, противоположное полю, создаваемому токами якоря вблизи поверхности полюсов. Таким образом, компенсируется (нейтрализуется) поле реакции якоря прямо в зоне полюсов, что предотвращает искажение основного поля в пространстве между полюсами. Компенсирующие обмотки особенно важны в машинах большой мощности и в двигателях, работающих при низких скоростях и больших токах, где реакция якоря выражена сильнее всего.

Материал и конструкция щёток также влияют на коммутацию. Щётки из электро-графита обладают свойством самосмазывания и немного выравнивают ток за счёт собственной электрической ёмкости и сопротивления. Их размер, форма и прижимное усилие подбираются так, чтобы обеспечить оптимальный контакт с коллектором при минимальном износе и искрении.

Совокупность решений – правильная геометрия щёткодержателей (установка щёток немного сдвинутыми по отношению к нейтрали при определённых режимах), использование дополнительных полюсов и компенсирующих обмоток, а также выбор подходящего материала щёток – позволяет достичь безыскровой коммутации во всём рабочем диапазоне токов. Это значительно повышает надёжность и долговечность машин постоянного тока, уменьшая необходимость технического обслуживания коллектора и щёток.

Системы охлаждения

Во время работы машины постоянного тока в её обмотках и магнитных сердечниках выделяется тепло из-за электрических потерь (омическое сопротивление обмоток, вихревые токи в стали, механические потери на трение щёток о коллектор и в подшипниках). Для сохранения рабочих температур и предупреждения перегрева применяются различные системы охлаждения.

Большинство машин постоянного тока малой и средней мощности оснащены самовентиляцией: на валу ротора закреплён вентиляционный вентилятор (крильчатка), который при вращении прогоняет воздух через внутренние каналы машины. Обычно на корпусе имеется решётчатый кожух или отверстия для забора и выдува воздуха. Такая открытая вентиляция эффективно отводит тепло в окружающую среду. Преимущество самовентиляции – простота и отсутствие дополнительных движущихся частей: охлаждение пропорционально скорости вращения (что удобно, так как при большем токе нагрузки обычно падает скорость, но при большем токе выделяется больше тепла, а вентилятор всё ещё вращается достаточной скоростью). Недостаток – зависимость от скорости (при работе на малых оборотах охлаждение ухудшается) и открытость, которая может допустить пыль и влагу внутрь машины.

В более мощных или ответственных машинах применяют принудительную вентиляцию. Это может быть внешний мотор-вентилятор, нагнетающий воздух через машину независимо от скорости якоря. Либо система воздухоохлаждения с каналами: прохладный воздух подаётся по воздуховодам через сердечник и обмотки, а затем выходит наружу. В тяжелых условиях (например, пыльная или влажная среда, взрывоопасные помещения) машина постоянного тока может быть выполнена в закрытом исполнении: корпус герметично закрыт, а охлаждение осуществляется через теплообменник – воздушный или жидкостный. Жидкостное охлаждение (например, вода или масло) используется в отдельных случаях для очень крупных машин или при специфических требованиях, когда отвод тепла воздушным путём затруднён. В таких конструкциях через охладитель на стенке машины прокачивается жидкость, отбирающая тепло у стенки корпуса, а внутренняя циркуляция воздуха равномерно переносит тепло от обмоток к корпусу.

Правильное охлаждение критично для поддержания ресурса изоляции обмоток и смазки подшипников. Перегрев влечёт ускоренное старение изоляционных материалов и износ узлов, поэтому система охлаждения является неотъемлемой частью конструкции. Современные машины часто оснащаются датчиками температуры, позволяющими контролировать нагрев и при необходимости регулировать режим работы или включать дополнительные охлаждающие устройства.

Области применения

Машины постоянного тока нашли широкое применение в технике благодаря своим уникальным характеристикам – в частности, удобству регулирования и высокому пусковому моменту. Хотя в последние десятилетия традиционные двигатели постоянного тока с коллектором в ряде областей вытесняются безколлекторными системами и асинхронными двигателями с частотными преобразователями (за счёт упрощения обслуживания и повышения надёжности), тем не менее, коллекторные машины по-прежнему используются во многих сферах, особенно там, где требуется плавное и широкодиапазонное регулирование скорости или питание от источника постоянного тока.

Основные области применения машин постоянного тока включают:

• Промышленные регулируемые приводы. Двигатели постоянного тока традиционно применяются в прокатных станах, металлургических линиях, бумагоделательных машинах, где нужен широкий диапазон регулирования скорости и точное поддержание оборотов. Их используют в станках, конвейерах, насосах и вентиляторах с регулируемой производительностью, особенно если система управления построена на тиристорных или транзисторных преобразователях, подающих регулируемое выпрямленное напряжение на двигатель.
• Транспортная техника. В транспорте постоянного тока (трамваи, троллейбусы) и ранее в электрических локомotивах и метро широко применялись двигатели постоянного тока серии (последовательного) возбуждения благодаря высокому пусковому крутящему моменту. Также двигатели постоянного тока долгое время служили основой тягового привода для электромобилей и гибридных автомобилей. В современных электровозах и электромобилях их постепенно заменяют асинхронными или синхронными бесколлекторными двигателями, но в шахтных электровозах, подъёмниках и др. всё ещё встречаются DC-машины. Кроме того, генераторы постоянного тока (динамо-машины) исторически использовались для зарядки аккумуляторов в автомобилях (до широкого внедрения трёхфазных генераторов с выпрямителем).
• Электроприводы подъёмных механизмов и тяжелых машин. Краны, шахтные подъёмники, экскаваторы, буровые установки – во всей этой технике часто применялись двигатели постоянного тока, поскольку они легко обеспечивают управление большим моментом на малых скоростях, реверсирование и торможение противотоком. С развитием силовой электроники многие такие приводы переводятся на AC-двигатели, но парк действующего оборудования с двигателями постоянного тока остаётся значительным.
• Малогабаритная и бытовая техника. Машины постоянного тока малой мощности используются там, где требуется компактный источник механического вращения с питанием от батарей или выпрямленного напряжения. Примеры: электродрели, шуруповёрты (универсальные коллекторные двигатели, способные работать и от переменного, и от постоянного тока), стартеры автомобилей (seriесные двигатели постоянного тока на 12В), моторы стеклоочистителей и стеклоподъёмников, вентиляторы и насосы постоянного тока в автомобилях, бытовые кухонные приборы с регулируемой скоростью. В системах автоматики и робототехники также распространены небольшие коллекторные двигатели и сервомоторы постоянного тока для привода исполнительных механизмов.
• Специальные системы и резервное питание. Генераторы постоянного тока применяются в электроснабжении на железнодорожном транспорте (для зарядки аккумуляторов в вагонах), в автономных электростанциях на постоянном токе, в системах возбуждения крупных синхронных машин (как вращающиеся возбудители – небольшие генераторы постоянного тока, сидящие на валу турбогенератора), а также в военной технике и авиации для питания бортовых систем постоянным током. В современных условиях во многих таких приложениях их замещают полупроводниковыми выпрямителями и преобразователями, но иногда вращающиеся DC-машины всё ещё используются как надёжные резервные источники (например, мотор-генераторы для преобразования частоты и как буферы энергии).

Несмотря на конкуренцию со стороны бесколлекторных технологий, классические машины постоянного тока продолжают использоваться благодаря комбинации свойств: простоте управления (напрямую изменением напряжения или тока возбуждения), высокой динамичности (бысткий отклик на изменение заданий), большому стартовому моменту и отлаженной технологии производства. Современные силовые полупроводниковые преобразователи (тиристорные выпрямители, транзисторные DC/DC-конверторы) позволяют питать двигатели постоянного тока от сетей переменного тока, обеспечивая плавное регулирование. Это поддерживает востребованность таких двигателей в системах регулируемого электропривода, хотя для новых установок всё чаще рассматривают бесколлекторные решения.