Почему за двигателями постоянного тока закрепилась репутация ненадежных машин?

Если не вдаваться в подробности слишком глубоко, то представление об электродвигателях постоянного тока у большинства пользователей примерно следующее: это сложные и «капризные» машины, нуждающиеся в постоянном обслуживании и систематическом ремонте.

Тем не менее, двигатель переменного тока представляется простым и практически безотказным устройством, благодаря чему он и приобрел такую популярность в быту и промышленности.

Конечно, эти представления очень субъективны, но для их возникновения, конечно были свои причины. И причины эти кроются в конструктивных различиях между двигателями постоянного и переменного тока.

Если мы говорим о двигателе переменного тока, не уточняя его конструкцию, то, скорее всего, мы имеем в виду асинхронный, с короткозамкнутым ротором. Синхронные, коллекторные машины переменного тока, асинхронные с фазным ротором...

Все они имеют свои особенности, но сфера их применения узка и специфична, и по своей массовости они очень сильно уступают «асинхроннику» с короткозамкнутым ротором, являющемуся, к слову, первой электрической машиной, изобретенной человеком.

А если речь идет о рядовом двигателе постоянного тока, то чаще всего подразумевается коллекторный со щеточной траверсой. Схема его возбуждения может быть различной, но это оказывает влияние лишь на электромеханическую характеристику, а не на эксплуатационные показатели. В любом случае коллекторные двигатели наиболее распространены в приводах постоянного тока.

Итак, сравнивая машины постоянного и переменного тока, мы в большинстве случаев сравниваем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором и электрическую машину с коллекторно-щеточным аппаратом.

И почему же «асинхронник» в этой ситуации смог заработать себе такую безупречную репутацию надежной машины? Все дело в разности направлений силовых векторов магнитных полей статора и ротора (для коллекторного двигателя – якоря). В асинхронном двигателе поле статора – вращающееся.

Направление его векторов циклически изменяется в каждой точке за счет сдвига между фазами. Этого уже достаточно, чтобы это поле могло увлечь за собой ротор и привести его во вращение, взаимодействуя с наведенным в нем электрическим током.

Таким образом, получается, что конструкция асинхронного двигателя чрезвычайно проста: в пазах статора укладывается его трехфазная обмотка, подключаемая к сети с переменным напряжением, а ротор содержит какое-то количество замкнутых проводящих контуров для создания и поддержания тока.

Есть, конечно, определенные тонкости, к примеру, токи Фуко, из-за которых сердечник статора асинхронного электромотора должен выполняться из шихтованной стали, но это уже не существенно. И неспроста уже упоминавшийся первый асинхронный двигатель переменного тока являл собой всего лишь стальной шарик, вращающийся в переменном электромагнитном поле.

В отличие от статора асинхронного двигателя, обмотка возбуждения коллекторной электрической машины постоянного тока не может создать вращающего поля. Поле, создаваемое этой обмоткой, «стоит на месте».

На месте стояло бы и поле, создаваемое током якоря, и тогда якорь повернулся бы лишь на небольшой угол до состояния равновесия между полями возбуждения и собственным магнитным полем. Но этого не происходит, потому что во время этого небольшого поворота смещается пара щеток на коллекторе якоря и его ток меняет направление, заставляя якорь вращаться дальше.

Говоря по-другому, ток якоря насильственно делается переменным. И для этого необходимо сложное устройство – коллекторно-щеточный аппарат, который и является причиной «капризности» коллекторных двигателей.

Его щетки быстро изнашиваются, их надо менять, коллекторные пластины постепенно стачиваются, ограничивая ресурс двигателя. К тому же коллекторно-щеточный аппарат боится влаги, инея. Его щетки могут «зависнуть», потерять контакт с коллектором.

Все эти проблемы несколько «подпортили» репутацию коллекторных двигателей, а вслед за этим – и репутацию машин постоянного тока в сравнении с электродвигателями тока переменного.