ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Аннотация. В статье рассматриваются принципы работы, конструктивные особенности и современные методы управления двигателями постоянного тока. Приведена классификация ДПТ, анализируются их достоинства и недостатки. Рассматриваются области применения в транспортной, промышленной и робототехнической сферах.

Abstract. The article discusses the operating principles, design features, and modern control methods of direct current (DC) motors. The classification of DC motors is given, their advantages and disadvantages are analyzed. Applications in transportation, industrial and robotic systems are considered.

Ключевые слова: двигатель постоянного тока, управление, возбуждение, конструкции, электропривод.

Keywords: direct current motor, control, excitation, design, electric drive.
 

Введение

Рисунок 1. Зависимость крутящего момента от тока

Теоретические основы и принцип действия

Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую за счёт взаимодействия магнитного поля и тока, протекающего по проводнику.

 Основной принцип основан на законе Ампера, согласно которому на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила. В конструкции ДПТ различают статор, якорь (ротор), щётки и коллектор. Электромагнитное взаимодействие создаёт вращающий момент.

Классификация и конструктивные особенности

Существует несколько типов ДПТ: с независимым, последовательным, смешанным возбуждением и на постоянных магнитах. Каждый из типов имеет конструктивные и эксплуатационные особенности, определяющие область применения. Например, двигатели с последовательным возбуждением обеспечивают высокий пусковой момент, а PMDC — простоту и компактность.

Классический ДПТ состоит из следующих компонентов:

Статор — обеспечивает магнитное поле. Это может быть электромагнит с обмоткой возбуждения или постоянный магнит.

Якорь (ротор) — вращающаяся часть с обмоткой, в которой индуцируется ЭДС.

Коммутатор (коллектор) — преобразует переменный ток, индуцированный в якоре, в постоянный ток, а также обеспечивает подачу напряжения.

Щётки — скользящие контакты, соединяющие обмотку якоря с внешней цепью.

ДПТ классифицируются по способу возбуждения:

С независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от отдельного источника.

С последовательным возбуждением — ток возбуждения протекает через якорь и обмотку возбуждения последовательно.

С параллельным возбуждением (шунтовые) — обмотка возбуждения включена параллельно якорю.

Смешанного типа — объединяет элементы последовательного и параллельного возбуждения.

PMDC — с постоянными магнитами вместо обмотки возбуждения.

Рисунок 2. Схема

Системы управления и регулирования

Регулирование скорости ДПТ осуществляется изменением напряжения питания, возбуждения или включением в цепь сопротивлений. Современные методы управления включают широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), использование микроконтроллеров и обратной связи.

Сервоприводы на базе ДПТ широко используются в автоматике и робототехнике.

Области применения

Двигатели постоянного тока применяются в транспортных системах (электропоезда, электромобили), в бытовой технике, медицине и промышленности.

Их высокая точность и управляемость делают их популярными в мехатронных системах и мобильной робототехнике.

Преимущества и недостатки

Среди преимуществ ДПТ — простота управления, быстрый отклик,

Высокая точность регулировки скорости, простота реализации систем автоматического управления, компактность и высокий момент на валу высокий пусковой момент. К недостаткам относят износ щёток и коллектора, необходимость технического обслуживания, ограниченный срок службы при высоких нагрузках, износ щёток и коллектора — требуют регулярного обслуживания, искрение и электромагнитные помехи, ограниченный срок службы в тяжёлых условиях

Перспективы развития

Улучшение магнитных материалов, внедрение нейросетевых алгоритмов управления и цифровую диагностику.

Также наблюдается тренд на миниатюризацию и интеграцию с IoT-системами. В последние десятилетия наблюдается активное развитие бесщёточных двигателей (BLDC), которые лишены недостатков традиционных ДПТ. Основные направления прогресса:

Переход на бесщёточные двигатели с цифровым управлением.

Интеграция с интернетом вещей (IoT) — мониторинг состояния и удалённое управление.

Применение искусственного интеллекта в системах адаптивного управления.

Увеличение энергоэффективности и минимизация веса двигателя.

Заключение

Двигатели постоянного тока продолжают оставаться актуальными благодаря своей надёжности, точности и универсальности. Они играют важную роль в тех областях, где требуется точное управление движением и высокие эксплуатационные характеристики.

Список литературы:

1. Бобров П.Ф. Электрические машины. — М.: Энергоатомиздат, 2021.
2. Chapman S. Electric Machinery Fundamentals. — McGraw-Hill, 2022
3. Hughes A. Electric Motors and Drives. — Elsevier, 2020.
4.  Петров А.А. Управление электрическими приводами. — СПб.: Питер, 2023.
5. IEC 60034 – Международный стандарт на электрические машины.