Электродвигатель постоянного тока — устройство, принцип работы, управление двигателем и его пуск

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Исторически первый электродвигатель работал именно на постоянном токе, так как во времена его изобретения в 1834 году Борисом Якоби единственным источником тока были гальванические батареи.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока прост: в простейшем случае он имеет по одной паре полюсов на статоре и роторе, при этом направление тока в обмотке ротора дважды за оборот изменяется при помощи специального устройства – коллектора, представляющего собой набор пластин, соответствующий числу роторных обмоток.

При вращении ротора различные участки обмотки последовательно соединяются через щетки с внешним источником постоянного тока.

Так как электродвигатель с двухполюсным ротором имеет две мертвые точки, где запуск без внешнего импульса невозможен (полюса ротора находятся точно напротив полюсов статора, и равнодействующая сил отталкивания равна нулю), на практике используются только многополюсные роторы.

Кроме того, увеличение числа полюсов увеличивает равномерность вращения ротора.

Подключение обмотки якоря может быть различным:

Независимое.

Обмотка ротора не имеет прямого соединения со статором, такое подключение используется в схемах с регулировкой оборотов.

Сериесное.

Обмотка якоря включена последовательно со статором. При увеличении нагрузки на сериесный электродвигатель его обороты резко падают (но возрастает крутящий момент), при уменьшении нагрузки возможен разнос. По этой причине сериесное возбуждение не используется там, где возможен холостой ход электродвигателя. Классический пример сериесного мотора – автомобильный электростартер.

Шунтовое.

Якорь подключается параллельно статору. При перегрузке крутящий момент на роторе не изменяется, при отсутствии нагрузки не возникает разнос.

Смешанное.

Якорь имеет две обмотки, подключенных последовательно статору и параллельно с ним. По своим электромеханическим характеристикам компаундные электромоторы находятся между сериесными и шунтовыми – они способны поднимать крутящий момент при увеличении нагрузки и вместе с тем не склонны к разносу на холостом ходу.

Компаундное возбуждение часто используется в электроинструменте, где необходимо и ограничение максимальных оборотов, и устойчивость к росту нагрузок.

В зависимости от взаимного направления магнитных потоков обеих обмоток различают прямое и обратное компаундное включение: при обратном включении и правильном конструировании ротора возможно поддержание стабильных оборотов при изменении нагрузки, но такая схема склонна к периодическим колебаниям частоты вращения.

Магнитное поле статора является постоянным, поэтому статор может выполняться из мощных магнитов, не имея обмотки. Благодаря этому снижаются затраты меди на производство электродвигателя и уменьшается его стоимость.

Сфера применения электродвигателей постоянного тока – это в первую очередь устройства и системы с батарейным питанием: от микромоторов карманных плейеров до мощных автомобильных электростартеров, тяговые двигатели легких электромобилей и электрокаров, аккумуляторный электроинструмент.

При всех своих достоинствах (простота устройства, высокий КПД, легкость реверса) электродвигатели постоянного тока имеют ряд серьезных недостатков:

1. При вращении ротора в питающей цепи возникают импульсные помехи в момент перехода ламелей коллектора мимо щеток, к которым добавляются радиопомехи из-за искрения на коллекторе.
2. Сам коллектор и токопроводящие щетки неизбежно изнашиваются. Неравномерный износ ламелей коллектора и изолятора между ними может приводить к нарушению контакта щеток и коллектора, снижению мощности и обгоранию ламелей.
3. В ряде случаев искрение щеток усиливается настолько, что возникает так называемое «кольцевое пламя» — сплошная область ионизированного воздуха, окружающая коллектор с разрушительными последствиями. Для противодействия этому чаще всего используется принудительная вентиляция области коллектора, выносящая ионизированный воздух наружу.

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Наиболее очевидный способ управления оборотами электродвигателя постоянного тока – это изменение тока в его обмотках и, следовательно, магнитного потока. Изначально в цепь питания ротора включался мощный реостат, однако этот способ управления имел явные недостатки:

Сложность автоматического поддержания оборотов.

Движок реостата приводился либо вручную, либо присоединялся к центробежному регулятору. В любом случае резкое увеличение нагрузки не могло быть быстро скомпенсировано.

Высокие потери мощности.

На мощных электродвигателях реостат значительно нагревался, снижая КПД двигательной установки и требуя введения дополнительного охлаждения.

Применение линейного стабилизатора для управления электродвигателем – это, по сути, замена механического реостата электронным: изменяя мощность, рассеиваемую линейным стабилизатором, изменяют ток в обмотках электродвигателя.

Главное преимущество такой схемы – возможность создания устройств для поддержания оборотов с высокой скоростью реакции. Как известно, при вращении коллектора возникают броски тока в момент подключения очередной секции обмотки ротора.

Частота этих импульсов строго пропорциональна оборотам двигателя, что широко используется в устройствах правления коллекторными двигателями.

Например, автомобильный доводчик стеклоподъемников автоматически отключает питание мотора, перестав фиксировать пульсацию тока в цепи питания стеклоподъемника (обнаружение момента остановки электродвигателя).

Совершенствование силовой электроники и в частности создание ключей с низким собственным падением напряжения в открытом состоянии (IGBT, MOSFET) позволило создать системы электронного управления широтно-импульсной модуляцией.

Суть широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ) состоит в изменении длительности импульсов тока при сохранении их постоянной частоты.

Такой метод регулировки имеет значительно больший КПД, так как отсутствует элемент, на котором рассеивается излишняя мощность, как это было бы в случае использования реостата или линейного стабилизатора напряжения.

Основной проблемой схем с широтно-импульсной является индуктивность обмоток электродвигателя. Она делает невозможным моментальное нарастание и падение тока, искажая форму прямоугольного сигнала, подаваемого на электродвигатель. В свою очередь, при неправильном проектировании силового каскада ШИМ-контроллера это способно привести к перегреву силовых ключей и резкому падению КПД.

ПУСК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В момент включения электродвигателя постоянного тока в питающую сеть возникает значительный бросок тока, так как пусковой ток электродвигателя в несколько раз (при мощностях, измеряемых киловаттами – до 20) превосходит номинальный. По этой причине прямой пуск электродвигателей используется только при небольших мощностях.

Распространенный способ снижения нагрузки на сеть при пуске электродвигателей высокой мощности – это реостатный запуск. В данном случае в момент включения мотора цепь ротора питается через мощный резистор или набор резисторов, по мере набора оборотов закорачиваемых специальными контакторами.

Осциллограмма тока якоря при этом становится близкой к пилообразной, а амплитуда пульсаций зависит от числа ступеней пускового реостата.

В тех случаях, когда нагрузка на электродвигатель находится в определенном заданном диапазоне, реостатный пуск производится в автоматическом режиме с помощью реле времени. Эта схема используется на ряде электропоездов, однако распространены и ручные контроллеры, управляемые машинистами.

Недостаток реостатного пуска – большие потери на нагрев реостатов, из-за чего они должны иметь высокую мощность и в ряде случаев искусственное охлаждение.

Этого лишен пуск изменением питающего напряжения, применяемый в тех случаях, когда возможно управление источником тока, например, в электро трансмиссиях постоянного тока: в момент пуска приводящий генератор двигатель работает на минимальных оборотах, плавно набирая их по мере разгона.

Также могут применяться управляемые выпрямители, но этот способ более применим для электродвигателей низкой мощности.

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Как устроен и принцип действия двигателя постоянного тока (видео)

Подавляющее большинство электроприводов нашего времени использует энергию переменного тока в асинхронном режиме. Тем не менее, двигатель постоянного тока, устройство и принцип действия которого будут рассматривать в этой статье, востребован ничуть не меньше. Что он собой представляет, какие существуют теоретические и технические особенности его эксплуатации, постараемся разобраться далее.

Что такое постоянный ток и чем он отличается от переменного?

Начать рассмотрение вопроса работы эл. двигателей необходимо с того, на чем она базируется, то есть с определения понятия «электрический ток» и его основных видов. Еще со школы нам должно быть известно, что в физике электрическим током называют направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов). Его разделение на постоянный и переменный происходит в зависимости от величины и направления тока в некотором промежутке времени. Это хорошо видно на следующем графике:

Как видим, график (красная линия) не меняется по времени, напряжение остается стабильным. В то же время, переменный ток (зеленый график) имеет форму синусоиды, постоянно меняя свое значение и направление со временем. Периодичность, с которой график проходит через одинаковые точки по ординате называется частотой и ее стандартное значение 50 Гц.

На самом деле, практически любой бытовой прибор, электроинструмент использует постоянный ток, который преобразовывается из переменного (сетевого). Может возникнуть закономерный вопрос, а для чего тогда использовать синусоидальный ток? Дело в том, что такая форма задания тока позволяет легко преобразовывать напряжение, идущее от генератора электростанции с 200-300 тысяч Вольт до привычных 220, с учетом коэффициента эффективности.

Принцип действия электродвигателя

Работа любого эл. двигателя пост. тока базируется на принципе взаимного действия магнитных полей статора и ротора. Здесь также нужно вспомнить базовую физику и историю с рамкой, вращающейся в однородном магнитном поле. Задание предполагает подачу на нее тока, индуцирующего собственное круговое магнитное поле. При взаимодействии с предыдущим формирует направленную перпендикулярно силу Ампера. Она выталкивает рамку из однородного поля.

В нашем случае, принцип действия тот же, но роль неподвижного однородного магнитного поля играет статор, а рамки – вращающийся ротор электродвигателя, обмотками, который еще называется якорем.

Как видим, два полюса статора создают однородное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из двух частей, которые наматываются на его полюсах и соединены между собой последовательно. Концы обмоток замыкаются на разделенных, расположенных на валу электродвигателя коллекторных пластинах. Они имеют физический контакт (трение) с неподвижными щетками из графита, на которые подается пост. ток. Если при подключении соблюсти принцип расположение полюсов тока, как показано на рисунке, то полюс якоря, расположенный на схеме слева, станет условно северным, как и находящийся в непосредственной близости полюс статора электродвигателя.

Естественная реакция на действие магнитных сил заключается в том, что равнозначные полюса отталкиваются. В нашем случае такое возможно только за счет вращения. По инерции, северный полюс якоря, провернувшись на 180º станет напротив южного полюса статора. По логике вещей они должны начать притягиваться, что приведет к торможению. Чтобы этого не допустить, в момент перехода нейтральной линии коллектор переключает обмотки якоря местами, чтобы вновь организовать отторжение полюсов.

Учитывая эту информацию устройство двигателя постоянного тока можно изобразить следующим образом:

Характеристики эл. двигателя

Любой электродвигатель – это оборудование, которым можно и нужно управлять в зависимости от требуемых условий. Регулирование происходит одним из трех основных способов/принципов:

1. Изменение напряжения, которое подается на обмотки ротора,
2. Ввод в цепь дополнительного сопротивления,
3. Изменения возбуждения (величины потока).

Работа эл. двигателя оценивается по графикам характеристик, которые бывают:

1. Механическими. Представляют собой зависимость частоты/скорости вращения от момента на валу с учетом поправочного коэффициента,
2. Регулировочными. Зависимость частоты вращения от напряжения в цепи питания обмоток якоря, сопротивления или потока.

На графике механической характеристики откладываются значения частоты вращения (ось ординат) и момента (ось абсцисс). По форме она представляет прямую с отрицательным уклоном. Построение графика происходит для определенной величины напряжения. Базовым уравнением механической характеристики является:

где ω – скорость вращения якоря, U – напряжение якорной цепи, К – конструктивный коэффициент, Ф – значение потока, RЯ – активное сопротивление якорной обмотки, М – электромагнитный момент электродвигателя.

В отличие от нее, график регулировочной характеристики строится для определенного момента на валу (ось абсцисс). На оси ординат по-прежнему находится частота. Для каждого из видов регулирования электродвигателя, уравнение будет иметь отдельную форму:

1. Уравнение при регулировании напряжением:
2. Уравнение при реостатном регулировании (сопротивлением):
3. Уравнение при потоковом регулировании:

Сравнительный вид графиков представлен ниже:

Также следует напомнить, что механические характеристики могут быть естественными (снятые при номинальном режиме) или искусственными (получаются при изменении напряжения, сопротивления или потока).

Режимы работы эл. двигателей

Используя уже известный нам график для характеристик, но расширив его на четыре квадранта, можно оценить существующие режимы работы оборудования.

Нумерация квадрантов происходит против часовой стрелки, начиная с правого верхнего, в котором координаты по обеим осям идут со знаком «+». Как видно из графика, в первом и третьем квадрантах наблюдается двигательный режим, для которого мощность Р = М·ω >, 0. В двух других квадрантах реализуется режим генератора или тормозной, имеющий отрицательное значение мощности.

Как видим, график образует несколько характерных точек и зон, ответственных за отдельные режимы:

• Холостой ход. Образуется в точке ωо. В этом случае ток и момент равны нулю, а сам эл. двигатель не получает энергии,
• Генератор при параллельном подключении. Называется еще тормозным с рекуперацией в сеть. Реализуется при ω >, ωо и E >, U. Эл. двигатель получает механическую энергию от работающего оборудования, а в сеть взамен отдается электрическая (генератор тока),
• Короткое замыкание. В этом случае ω = 0 и Е = 0. Механическая энергия от вращения вала не отдается, а электрическая превращается в тепловую,
• Генератор при последовательном соединении. Этот режим еще называется торможением с противовключением. При этом ω <, 0, а ток и ЭДС имеют одинаковое направление. Выработка электричества происходит за счет вращения оборудования, совмещенного с валом ротора,
• Автономный генератор. Режим динамического торможения предполагает выработку электричества за счет одной лишь механической энергии вращения вала от привода, без участия сети.

Технические и энергетические параметры функционирования двигателей постоянного тока позволяют с большой эффективностью использовать их в разных сферах, от машиностроения до легкой промышленности и даже игрушек. Они могут действовать в чисто двигательном или режиме генератора (тормозном), используя различные коэффициенты.

Двигатели постоянного тока

Прежде всего давайте определимся какую функцию выполняют двигатели. Они превращают электрическую энергию в механическую.

Первый электрический двигатель был создан в 1834 году русским учёным Борисом Семёновичем Якоби.

В деятельности человека находят свое применение электродвигатели самых разных конструкций. В производстве их используют для того, чтобы привести в движение станки и механизмы, трамваи, троллейбусы, электровозы и многое другое. Электродвигатели используются даже в игрушках.

Почему же все-таки именно электродвигатели, а не паровые двигатели или, например двигатели внутреннего сгорания? Основным преимуществом двигателя, работающего на электричестве, можно назвать то, что при его работе не выделяются вредные газы, дым или пар. Для их работы не нужны запасы топлива или воды. Электродвигатели легко установить в любом удобном месте: и на стене, и под полом трамвая или троллейбуса и даже в колесах лунохода.

На производстве и в быту чаще всего используют коллекторный электродвигатель. Перед вами модель простейшего коллекторного электродвигателя. Он состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора. В качестве статора выступает постоянный магнит. Ротор состоит из якоря и коллектора. Простейшим якорем может быть электромагнит, который представляет собой сердечник и обмотку. На валу якоря укреплён коллектор, который представляет собой два полукольца. Они изолированы не только друг от друга, но и от вала двигателя. Каждый вывод обмотки якоря припаивают к отдельному полукольцу. Электрический ток от батареек поступает в обмотку якоря через щётки – специальные скользящие контакты. Щётки чаще всего представляют собой две упругие металлические пластины, которые соединены проводами с источником тока и прижаты к полукольцам коллектора.

Поскольку якорь – это электромагнит, то у него должны быть южный и северный полюса.

Давайте узнаем, как они образуются.

Щётки соединяются с источником тока так, как показано на рисунке. Благодаря такому соединению электрический ток, который проходит по обмотке якоря делает одну сторону якоря северным полюсом, а вторую – южным.

По схеме видно, что северный полюс якоря располагается рядом с северным полюсом статора, а южный полюс якоря – рядом с южным полюсом статора.

Одноименные магнитные полюса отталкиваются, и якорь начинает вращаться. Вместе с якорем поворачивается и коллектор.

Северный полюс якоря при вращении притягивается к южному полюсу статора. Но еще до того как они сблизятся полукольца коллектора притягиваются друг к другу и полярность якоря опять изменяется. То есть меняется направление тока в обмотке якоря. Другими словами, коллектор в электродвигателе – это специальный переключатель, который меняет направление в обмотке якоря автоматически.

Как только полярность якоря меняется, полюса вновь отталкиваются друг от друга и вращение продолжается.

В основном в качестве постоянного магнита для создания магнитного тока используют электромагниты.

Существует два способа подключения обмотки возбуждения к источнику тока: параллельно по отношению к обмотке якоря и последовательно ей.

От того каким именно способом присоединена обмотка возбуждения зависят свойства электродвигателя.

Если подключение параллельное, то с увеличением механической нагрузки на вал число оборотов двигателя практически не меняется. Двигатели с таким видом соединения обмотки возбуждения к якорю чаще всего используются для привода станков.

При последовательном соединении с увеличением механической нагрузки на вал, число оборотов резко уменьшается. Двигатели такого рода находят свое применение на электрическом транспорте.

По сравнению с полем постоянных магнитов, электромагнитное возбуждение двигателя позволяет не только усилить магнитное поле, но и управлять его интенсивностью.

Для того, чтобы управлять интенсивностью магнитного поля нужно реостатом менять величину тока в цепи обмотки возбуждения. Этим изменяется число оборотов двигателя.

Еще один способ менять число оборотов двигателя – смена напряжения на его зажимах. Но этот способ – более дорогой. Поскольку, если через реостат проходит весь ток двигателя, то появляются дополнительные потери электроэнергии.

Понятно, что мы рассмотрели очень упрощенную модель электродвигателя. Настоящий имеет более сложное строение.

В основном вместо постоянного магнита для создания магнитного поля статора используется мощный электромагнит. Обмотка возбуждения такого двигателя одновременно выполняет роль обмотки одного из полюсов. Соединять обмотки полюсов надо так, чтобы полюсные наконечники сердечников имели разную полярность, которая будет обращена к якорю.

Посмотрите, как выглядит вращающийся ротор двигателя. Он состоит из якоря и коллектора.

Чтобы коэффициент полезного действия двигателя возрастал, нужно на сердечнике якоря разместить несколько обмоток. Это приводит к тому, что в коллектор входит не два полукольца, а много медных пластин. Они изолированы не только друг от друга, но и от вала двигателя.

Графитовые щётки накладывают на коллектор. К гладкой поверхности коллектора щётки прижимают с помощью пружин. Движение якоря по валу напрямую передается рабочим органам потребителя. Вращается вал в подшипниках, которые запрессованы в переднюю и заднюю крышки статора. Охлаждается двигатель вентилятором, крыльчатка которого располагается на валу.

Подведем итоги урока.

Сегодня мы с вами говорили о двигателе постоянного тока. Выяснили устройство и принцип действия коллекторного электродвигателя. Узнали, что у него две основные части: неподвижная часть — статор, который представляет собой магнит, создающий постоянное магнитное поле. И вращающаяся часть – ротор. Составные части ротора – якорь и коллектор. Электрический ток от источника подается на обмотку якоря через щётки.

Рассмотрели два случая подключения обмотки возбуждения к источнику тока в роторе, состоящем из электромагнита.

И познакомились с устройством настоящего рабочего электродвигателя.

устройство, принцип работы, характеристики, КПД

Трудно даже представить, как выглядел бы современный мир без электродвигателя постоянного тока (впрочем, и переменного тоже). Любой современный механизм оснащен электродвигателем. Он может иметь разное предназначение, но его наличие, как правило, критически важно. Ожидается, что в ближайшем будущем роль электродвигателя постоянного тока будет лишь возрастать. Уже сегодня без этого устройства невозможно создать качественное, надежное и бесшумное оборудование с регулируемыми скоростями работы. А ведь это – залог развития государства, да и мировой экономики в целом.

Из истории двигателя постоянного тока

В ходе проведения опытов в 1821 году известный ученый Фарадей случайно обнаружил, что магнит и проводник с током каким-то образом воздействуют друг на друга. В частности, постоянный магнит может вызывать вращение простейшего контура из проводника с током. Результаты этих экспериментов были использованы для дальнейших исследований.

Уже в 1833 году Томасом Дэвенпортом создается модель поезда с небольшим электродвигателем, способным приводить его в движение.

В 1838 году в Российской Империи построен пассажирский катер на 12 мест. Когда это плавательное средство с электромотором пошло по Неве против течения, это вызвало настоящий взрыв эмоций в научных кругах и не только.

Как работает электродвигатель постоянного тока

Если рассматривать работу поверхностно, как это делают в школе на уроках по физике, то может показаться, что в ней нет абсолютно ничего сложного. Но это только на первый взгляд. На самом же деле наука об электроприводе является одной из наиболее тяжелых в цикле технических дисциплин. При работе электродвигателя протекает целый ряд сложных физических явлений, которые до сих пор в полной мере не изучены и объясняются различными гипотезами и предположениями.

В упрощенном варианте принцип работы электродвигателя постоянного тока можно описать следующим образом. В магнитное поле помещают проводник и пускают через него ток. При этом если рассматривать сечение проводника, то вокруг него возникают невидимые силовые концентрические окружности – это магнитное поле, которое формируется током в проводнике. Как уже было сказано, данные магнитные поля являются невидимыми для глаза человека. Но существует нехитрый прием, позволяющий визуально наблюдать их. Самый простой способ – проделать в фанере или в плотном листе бумаги отверстие, через которое и пропустить провод. При этом поверхность вблизи отверстия необходимо покрыть тонким слоем мелкодисперсного магнитного металлического порошка (можно использовать и мелкие опилки). При замыкании цепи частицы порошка выстраиваются по форме магнитного поля.

Собственно, на этом явлении и основан принцип работы электродвигателя постоянного тока. Проводник с током помещается между северным и южным полюсами U-образного магнита. В результате взаимодействия магнитных полей, проволока приводится в движение. Направление движения зависит от того, как расположены полюса, и может точно определяться так называемым правилом «буравчика».

Сила Ампера

Сила, которая выталкивает проводник с током за пределы поля постоянного магнита, называется силой Ампера – по имени известного исследователя электрических явлений. Его имя также носит единица измерения силы тока.

Чтобы найти численное значение данной силы, нужно умножить силу тока в рассматриваемом проводнике на его длину и на величину (вектор) индукции магнитного поля.

Формула будет выглядеть следующим образом:

F = IBL.

Модель простейшего двигателя

Грубо говоря, чтобы построить самый примитивный двигатель, необходимо помесить рамку из токопроводящего материала (провода) в магнитное поле и запитать ее током. Рамка повернется на определенный угол и застопорится. Данное положение на сленге специалистов в области электропривода называется «мертвым». Причина остановки заключается в том, что магнитные поля, так сказать, компенсируются. Иными словами, подобное происходит тогда, когда равнодействующая сила становится равной нулю. Поэтому устройство электродвигателя постоянного тока включает не одну, а несколько рамок. В реальном агрегате промышленного назначения (который устанавливается на оборудование) таких элементарных контуров может быть очень и очень много. Так, когда на одной рамке силы уравновешиваются, другая рамка выводит ее из «ступора».

Особенности устройства двигателей разной мощности

Даже человек, далекий от мира электротехники, сразу же смекнет, что без источника постоянного магнитного поля ни о каком электродвигателе постоянного тока просто не может идти и речи. В качестве таких источников применяются самые разные устройства.

Для маломощных электродвигателей постоянного тока (на 12 вольт и менее) самым идеальным решением является постоянный магнит. Но этот вариант не подойдет для агрегатов большой мощности и размеров: магниты будут слишком дорогими и тяжелыми. Поэтому для электродвигателей постоянного тока на 220 В и более целесообразней применять индуктор (обмотку возбуждения). Чтобы индуктор стал источником магнитного поля, его необходимо запитать.

Конструкция электродвигателя

В общем случае конструкция любого двигателя на постоянном токе включает следующие элементы: коллектор, статор и якорь.

Якорь служит несущим элементом для обмотки электродвигателя. Он состоит из тонких листов стали электротехнического назначения с углублениями по периметру для укладки провода. Материал изготовления в данном случае очень важен. Как уже было сказано, применяется электротехническая сталь. Такая марка материала отличается большим размером искусственно выращенного зерна и мягкостью (в результате низкого содержания углерода). Кроме того, вся конструкция состоит из тонких, изолированных листов. Все это не позволяет возникать паразитным токам и предотвращает перегрев якоря.

Статор является неподвижной частью. Он выполняет роль магнита, рассмотренного ранее. Для демонстрации работы модели двигателя в лабораторных условиях для наглядности и лучшего понимания принципов используют статор с двумя полюсами. В реальных промышленных двигателях применяются устройства с большим числом пар полюсов.

Под коллектором понимается коммутатор (соединитель), который подает ток на контуры обмотки электродвигателя постоянного тока. Его наличие строго необходимо. Без него двигатель будет работать рывками, не плавно.

Разновидности двигателей

Не существует одного универсального двигателя, который бы применялся абсолютно во всех отраслях техники и народного хозяйства и удовлетворял всем требованиям в сфере безопасности и надежности при эксплуатации.

Следует очень ответственно подходить к выбору электродвигателя постоянного тока. Ремонт – чрезвычайно сложная и дорогостоящая процедура, которую могут выполнить лишь специалисты с соответствующей квалификацией. И если конструкция и возможности двигателя не будут отвечать требованиям, то на ремонт будут уходить значительные денежные средства.

Существует четыре основные разновидности двигателей постоянного тока: коллекторные, инверторные, униполярные, а также универсальные коллекторные двигатели постоянного тока. Каждый из перечисленных видов имеет свои положительные и отрицательные качества. Следует дать краткую характеристику каждому из них.

Коллекторные двигатели постоянного тока

Существует большое количество возможных способов реализации двигателей данного типа: один коллектор и четное количество контуров, несколько коллекторов и несколько контуров обмотки, три коллектора и столько же витков обмотки, четыре коллектора и два витка обмотки, четыре коллектора и четыре контура на якоре, и наконец – восемь коллекторов с якорем без рамки.

Данный тип двигателя отличается сравнительной простотой исполнения и производства. Именно по этой причине он прослыл широкоуниверсальным двигателем, применение которого очень обширно: от игрушечных автомобилей на радиоуправлении до очень сложных и высокотехнологичных станков с программным управлением немецкого или японского производства.

Об инверторных двигателях

В общем и целом данный тип двигателей сильно похож на коллекторный и имеет те же достоинства и недостатки. Единственное отличие заключается в механизме запуска: он более совершенный, что позволяет без труда осуществлять реверсирование оборотов и регулировку частоты вращения ротора. Таким образом, эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока данного типа превосходят по ряду параметров коллекторные двигатели.

Но если в чем-либо получается выигрыш, то в каких-либо вещах обязательно будет наблюдаться проигрыш. Это неоспоримый закон Вселенной. Так и в этом случае: превосходство обеспечивается довольно сложной и капризной техникой, которая часто выходит из строя. По словам опытных специалистов, ремонт электродвигателей постоянного тока инверторного типа осуществить довольно сложно. Порой даже бывалые электрики не могут диагностировать неисправность в системе.

Особенности униполярных двигателей постоянного тока

Принцип действия остается прежним и основан на взаимодействии магнитных полей проводника с током и магнитом. Но проводником тока служит не проволока, а диск, вращающийся на оси. Подача тока осуществляется следующим образом: один контакт замыкается на металлическую ось, а другой посредством так называемой щетки соединяет край металлического круга. Такой двигатель, как видно, имеет довольно сложную конструкцию и поэтому часто выходит из строя. Основное применение – научные исследования в области физики электричества и электропривода.

Особенности универсальных коллекторных электродвигателей

Принципиально ничего нового данный тип двигателей не несет. Но он имеет очень важную особенность – возможность работать как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока. Порой это его свойство может позволить сэкономить значительные денежные средства на ремонте и модернизации оборудования.

Частота переменного тока жестко регламентирована и составляет 50 Герц. Иными словами, направление движения отрицательно заряженных частиц меняется 50 раз в секунду. Некоторые ошибочно полагают, что и ротор электродвигателя должен менять направление вращения (по часовой стрелке – против часовой стрелки) 50 раз в секунду. Если бы это было действительно так, то о каком-либо полезном применении электрических двигателей переменного тока не могло бы быть и речи. Что происходит в действительности: ток обмотки якоря и статора синхронизируется при помощи простейших конденсаторов. И поэтому, когда меняется направление тока на рамке якоря, меняется его направление и на статоре. Таким образом, ротор постоянно вращается в одну сторону.

К сожалению, КПД электродвигателя постоянного тока данного типа значительно ниже, чем у инверторных и униполярных двигателей. Поэтому его применение ограничено довольно узкими областями – там где необходимо получить максимальную надежность любой ценой, без учета затрат на эксплуатацию (например, военное машиностроение).

Заключительные положения

Технологии не стоят на месте, и сегодня множество научных школ по всему миру конкурируют между собой и стремятся создать дешевый и экономичный двигатель с высоким КПД и эксплуатационными характеристиками. Мощность электродвигателей постоянного тока из года в год растет, при этом падает их энергопотребление.

По прогнозам ученых, будущее будет определяться электрооборудованием, а эпоха нефти завершится уже довольно скоро.

Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока.

Устройство простейшего электродвигателя постоянного тока. На рис. 1-1 представлен простейший электродвигатель постоянного тока, а на рис. 1-2 дано его схематическое изображение в осевом направлении. Неподвижная часть двигателя, называемая индуктором, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в электродвигателе основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис. 1-1 простейшего электродвигателя имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рис. 1-1 не показано). Вращающаяся часть электродвигателя состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанном на рис. 1-1 и 1-2 простейшем электродвигателе имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Основной магнитный поток в нормальных электродвигателях постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердеч­ники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов. Режим генератора. Рассмотрим сначала работу электродвигателя в режиме генератора.

Рис. 1-1. Простейший электродвигатель постоянного тока Рис. 1-2. Работа простейшего электродвигателя постоянного тока в режиме Генератора (а) и двигателя (б).

Предположим, что якорь электродвигателя (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис. 1-3, а) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения. В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются. Частота ЭДС f в двухполюсном электродвигателе равна скорости вра­щения якоря n, выраженной в оборотах в секунду: f = n, а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью: f = pn

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи. Рис. 1-3. Правила правой (а) и левой (б) руки.

12. Способы пуска в ход двигателей постоянного тока

При включении двигателя возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный в 10 — 20 раз. Для ограничения пускового тока двигателей мощностью более 0,5 кВт последовательно с цепью якоря включают пусковой реостат (рис. 7).Величину сопротивления пускового реостата можно определить по выражению

Rn =U/(1,8 — 2,5)Iном-Rя

где U — напряжение сети, В;

Iном — номинальный ток двигателя. А;

Rя — сопротивление обмотки якоря, Ом.

Перед включением двигателя необходимо убедиться в том, что рычаг 2 пускового реостата (рис.7) находится на холостом контакте 0. затем включают рубильник и рычаг реостата переводят на первый промежуточный контакт. При этом двигатель возбуждается, а в цепи якоря появляется пусковой ток, величина которого ограничена всеми четырьмя секциями сопротивления Rn. По мере увеличения частоты вращения якоря пусковой ток уменьшается и рычаг реостата переводят на второй, третий контакт и т.д., пока он не окажется на рабочем контакте. Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременный режим работы, а поэтому рычаг реостата нельзя длительно задерживать на промежуточных контактах: в этом случае сопротивления реостата перегреваются и могут перегореть. Прежде чем отключить двигатель от сети, необходимо рукоятку реостата перевести в крайнее левое положение. При этом двигатель отключается от сети, но цепь обмотки возбуждения остается замкнутой на сопротивление реостата. В противном случае могут появиться большие перенапряжения в обмотке возбуждения в момент размыкания цепи. При пуске в ход двигателей постоянного тока регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения следует полностью вывести для увеличения потока возбуждения. Для пуска двигателей с последовательным возбуждением применяют двухзажимные пусковые реостаты, отличающиеся от трехзажимных отсутствием медной дуги и наличием только двух зажимов — Л и Я.

13. Механическая характеристика двигателей постоянного тока (n=f(M)) с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т. д.).

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяются аналогично генераторам на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Схемы двигателей и генераторов с данным видом возбуждения одинаковы (рис. 9-1). В двигателях независимого возбуждения токи якоря 1_а и нагрузки равны: I = 1_а, в двигателях параллельного и смешанного возбуждения I= I_а +I_bи в двигателях последовательного возбуждения I = 1_а = I_в. С независимым возбуждением от отдельного источника тока обычно выполняются мощные двигатели с целью более удобного и экономичного регулирования величины тока возбуждения. По своим свойствам двигатели независимого и параллельного возбуждения почти одинаковы, и поэтому первые ниже отдельно не рассматриваются.

Рис 10-1 Энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения

Энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 10-1. Первичная мощность Р_х является электрической и потребляется из питающей сети. За счет этой мощности покрываются потери на возбуждение р_в и электрические потери рд_ла = P_aRa в цепи якоря, а оставшаяся часть составляет электромагнитную мощность якоря Р_Эм = EJ_a, которая превращается в механическую мощность Р_мх. Потери магнитные р_мг, добавочные р_д и механические р_мх покрываются за счет механической мощности, а остальная часть этой мощности представляет собой, полезную механическую мощность Р₂ на валу. Аналогичные энергетические диаграммы, иллюстрирующие преобразование энергии в двигателе, можно построить и для других типов двигателей

Электродвигатель постоянного тока

Категория: постоянный ток

Заводы производители электродвигателей постоянного тока: Псковский электромашиностроительный завод, Татэлектромаш, Кросна-Мотор, Карпинский электромашиностроительный завод, Динамо Энерго, Электросила (Силовые машины), Сибэлектропривод, Белгородский электротехнический завод, Островский завод электрических машин

 Серии двигателей: 

• для большегрузных самосвалов – ДПТВ, ЭК, ДК, ЭДП
• для железнодорожного транспорта – П, ЭК, ДК, ДТК, ЭДУ, 4ПНЖ, ЭДТ, ЭДК, ДПТ
• для экскаваторов – ДЭ, Д, ЭК, ДЭВ, ДЭ (В), ДПЭ, ДМПЭ, ДПВ, КРЭ
• для городского электротранспорта – ДПУР, КР
• для кранов – Д, МПЭ
• для судов – ДПМ, ТДП
• для буровых – Д808Б, КР, ДК, МПБ, 4П, ДПБ
• для шахт – ДПТ, ДАТВ и ДАКВ
• общепромышленное/общее применение – 4П, КР, Д808К

 

Применение

Двигатели постоянного тока (ДПТ) приводят во вращение механизмы, требующие больших пусковых вращающих, моментов и широкого регулирования частоты вращения. Данные электродвигатели широко применяются в городском и железнодорожном транспорте, в судостроении, при работе кранов и в других областях. При выборе электродвигателя неоходима консультация с заводом производителем.

Цена на двигатели постоянного тока зависит от типа двигателя и его комплектации:

• Бренда производителя
• Параметров мощности
• Линейных размеров двигателя
• Наличия защиты от пыли и влаги
• Способа монтажа

Преимущества двигателей постоянного тока:

• Простота конструкции и ремонтопригодность
• Надежность и безопасность оборудования может быть повышена за счет установки дополнительных датчиков, уплотнителей и др.
• Возможность и простота регулировки скорости вращения
• Компактные габариты, применение в ограниченном пространстве
• Широкое распространение и применение в различных отраслях

 

Устройство двигателя постоянного тока

Конструктивно ДПТ устроен по принципу взаимодействия магнитных полей. Коллектроный электродвигатель постоянного тока состоит из частей:

• Статора — неподвижная часть двигателя. Включают постоянные магниты повернутых разными полюсами к обмоткам.
• Ротора – вращающееся часть. Расположен на валу и включает обмотки с сердечниками.
• Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу двигателя.
• Щёток  — передают электроток через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1 — Устройство коллекторного двигателя постоянного тока. 1- якорь, 2 — сердечник полюса, 3 — обмотка полюса, 4 — вентилятор, 5 — статор, 6 — щётки, 7 — коллектор

Технические характеристики двигателей ДПЭ, ДПВ постоянного тока для экскаваторов

Габариты для двигателей ДПВ постоянного тока для экскаваторов

Двигатель постоянного тока (ДПТ) принцип работы, устройство

Двигатели постоянного тока – это специализированные машины, применяемые для того, чтобы делать из энергии постоянного тока механическую.

Что касается принципа работы данной разновидности электрических двигателей, то он может осуществляться двумя способами:

• Магнитные поля статора и ротора взаимодействуют между собой.
• Стержни в количестве двух штук, концы которых замкнуты и рамка подвижного типа, в магнитном поле статора находится ток.

Как устроен двигатель

Если мы посмотрим на простейшие модели для демонстрации, то сможем увидеть лишь один стержень и рамку, по которой проходит ток.

Схема двигателя постоянного тока

Якорь основная обмотка, ток на него подается с помощью коллектора и щеточного механизма. Структура статора может быть двух типов: постоянные магниты или же обмотки возбуждения. Если используются постоянные магниты, то этот двигатель по мощности будет уступать тому, в котором установлены обмотки возбуждения.

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Направление ЭДС, которую навели, всегда противоположно направлению тока в проводнике. Наведенная ЭДС может последовательно изменяться, это будет зависеть главным образом от перемещения проводников в магнитном поле.

Если сложить сумму ЭДС в каждой из катушек, ты мы получим суммарную ЭДС, она является приложением к внешним выводам двигателя. Но главным параметром данной разновидности электрических двигателей является его постоянная. Ей определяется возможность двигателя преобразовывать электроэнергию в механическую.

Постоянная не будет зависеть от соединения обмоток в электродвигатели только если использоваться будет один материал проводника.

Разновидности двигателей постоянного тока

Рассмотрим разновидности двигателей постоянного тока:

1. Коллекторный с постоянным магнитом. Индуктор этого двигателя включает в себя постоянный магнит, из которого состоит магнитное поле статора.
2. Бесколлекторный (бесщеточный). Различие лишь в отсутствии щеток для замены при износе, из-за искрения коммутатора.
3.  Серводвигатель постоянного тока. Это привод, ось которого может перемещаться в заданное положение.

Управление здесь соединено печатной платой, двигателем постоянного тока и потенциометром (датчиком). Редуктор преобразует электричество в механическое действие. В результате скорость, с которой вращается выходной вал, снижается до необходимого значения.

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

В этой разновидности электрических двигателей применяются специальные обмотки, которые называются «обмотками возбуждения». Они приводят в действие сам механизм двигателя.

Независимое возбуждение

При данном типе подключения обмотка накручивается напрямую к источнику питания, при этом, характеристики двигателя с таким способом возбуждения схожи с характеристиками двигателей на постоянных магнитах.

Параллельное возбуждение

Обмотка возбуждения и ротор соединены с одним и тем же источником тока параллельным способом. В этой схеме ток обмотки возбуждения ниже, чем ток Ротора. Последовательное возбуждение. Обмотка последовательно соединяется с якорем. Скорость работы двигателя зависит от его нагрузки.

Смешанное возбуждение

Данная схема предполагает использование двух обмоток возбуждения, расположенных попарно на каждом полюсе электродвигателя. Обмотки могут быть соединены двумя способами: с суммированием или с вычитанием потоков.

Какие существуют способы возбуждения двигателей постоянного тока

Осуществление переключения и контроля двигателей

Данная разновидность двигателей имеет два режима: они могут быть включёнными, либо отключёнными. Такое переключение делается переключателями, реле, транзисторами или же МОП-транзисторами.

В схеме управления используется биполярный транзистор, он играет ключевую роль в переключении режимов.

Контроль скорости двигателя

Потому как скорость данной разновидности двигателей является пропорциональной напряжению на клеммах, можно использовать транзистор для регулирования напряжения на них. Эти два транзистора подключены как пара для управления током главного ротора.

Регулировка скорости импульса

Скорость вращения данной разновидности электрических двигателей является пропорциональной среднему давлению на второй клемме.

Изменение направления движения двигателя постоянного тока

Есть много преимуществ в управлении скоростью данной разновидности электрических двигателей, но есть один большой недостаток: направление вращения всегда одно и то же. Во многих случаях машина действует по простому принципу, чтобы двигаться вперед и назад. H-мостовая схема двигателя.

Базовая конфигурация четырех переключателей, будь то электромеханические реле или транзисторы, аналогична букве Н с двигателем, расположенным на шине посередине.

Особенности эксплуатации

Двигатель оснащен механизмами защиты от перегрузки. Предохранение необходимо сделать с задержкой по времени. Защита должна действовать в отрыве, или сигнально, или вентиляционно, если возможен такой вариант.

Схема Н-моста

Подробная таблица истинности Н-моста электродвигателя

Сфера использования

На электростанциях они устанавливаются как генераторы для изготовления оборудования, автомобилей и даже различного рода быттехники. Сегодня в каждом доме есть устройство с мотором переменного тока.

Заключение

Надеемся, что после прочтения этой статьи у вас не осталось вопросов относительно данной разновидности электрических двигателей. Если вы хотите получать больше информации по этой теме, а также по теме асинхронных двигателей и сборки металлоискателей своими руками, подписывайтесь на нашу группу в социальной сети «вконтакте».

Предыдущая

Электрические машиныЧто такое асинхронный двигатель и принцип его действия

Следующая

Электрические машиныВсе что нужно знать о шаговых электродвигателях

Типы двигателей постоянного тока

— щеточные, бесщеточные и серводвигатели постоянного тока

Введение

Почти каждое механическое движение, которое мы видим сегодня, совершается с помощью электродвигателя. Электродвигатель потребляет электрическую энергию и производит механическую энергию. Электродвигатели бывают разных номиналов и размеров. Некоторые применения больших электродвигателей включают лифты, прокатные станы и электропоезда. Некоторые применения малых электродвигателей — роботы, автомобили и электроинструменты.Электродвигатели делятся на два типа: двигатели постоянного тока (постоянного тока) и двигатели переменного тока (переменного тока). Функция двигателей переменного и постоянного тока одинакова, то есть преобразовывать электрическую энергию в механическую.

Основное различие между этими двумя состоит в блоке питания, который представляет собой источник переменного тока для двигателей переменного тока и источник постоянного тока, такой как батарея для двигателей постоянного тока. Электродвигатели переменного и постоянного тока состоят из статора, который является неподвижной частью, и ротора, который является вращающейся частью или якорем двигателя.Принцип работы электродвигателя основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого статором, и электрического тока, протекающего в роторе, для создания скорости вращения и крутящего момента.

Существуют разные типы двигателей постоянного тока, и все они работают по одному и тому же принципу. Двигатель постоянного тока — это электромеханический привод, используемый для непрерывного движения с регулируемой скоростью вращения. Двигатели постоянного тока идеально подходят для использования в приложениях, где требуется регулирование скорости, сервоуправление или позиционирование.

Ниже показан простой двигатель постоянного тока.

Ссылка на ресурс изображения:

Как упоминалось ранее, любой двигатель состоит из двух частей, а именно. статор и ротор. В зависимости от конфигурации и конструкции существует три типа двигателей постоянного тока: щеточный двигатель, бесщеточный двигатель и серводвигатель.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Электромеханическое устройство преобразования энергии принимает электрическую энергию на входе и производит механическую энергию на выходе.Для этой задачи широко используются три электрические машины: двигатель постоянного тока, асинхронный или асинхронный двигатель и синхронный двигатель. Асинхронный двигатель и синхронные двигатели — это двигатели переменного тока. Во всех двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую при изменении магнитного потока, связывающего катушку.

Электродвигатель принимает электрическую энергию на входе и преобразует ее в механическую энергию.

Электродвигатель

Когда электрическая энергия прикладывается к проводнику, который расположен перпендикулярно направлению магнитного поля, результатом взаимодействия между электрическим током, протекающим через проводник, и магнитным полем является сила.Эта сила толкает проводник в направлении, перпендикулярном как току, так и магнитному полю, следовательно, сила носит механический характер.

Значение силы можно рассчитать, если известны плотность магнитного поля B, длина проводника L и ток, протекающий в проводнике I.

Сила, действующая на проводник, определяется соотношением

.

F = B × I × L Ньютон

Направление движения проводника можно определить с помощью правила левой руки Флеминга.

Правило левой руки Флеминга применимо ко всем электродвигателям.

Рисунок, представляющий Правило левой руки Флеминга, показан ниже.

Когда проводник, по которому проходит ток, помещается в магнитное поле, на проводник действует сила, перпендикулярная направлениям магнитного поля и тока.

Согласно правилу левой руки Флеминга, большой палец левой руки представляет направление силы, указательный палец представляет направление магнитного поля, а средний палец представляет направление тока.

Двигатель постоянного тока состоит из двух наборов катушек, называемых обмоткой якоря и обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения используется для создания магнитного поля. Для этого также можно использовать набор постоянных магнитов. Если используются обмотки возбуждения, это электромагнит. Обмотка возбуждения — это неподвижная часть двигателя или статора. Обмотка якоря является роторной частью двигателя. Ротор находится внутри статора. Ротор или якорь подключаются к внешней цепи через механический коммутатор.

Обычно ферромагнитные материалы используются для изготовления статора и ротора, разделенных воздушным зазором. Обмотки катушек внутри статора состоят из последовательного или параллельного соединения нескольких катушек. Медные обмотки обычно используются как для обмоток якоря, так и для обмоток возбуждения.

Принцип работы двигателя постоянного тока объясняется ниже.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Рассмотрим катушку, помещенную в магнитное поле с плотностью потока В Тесла.Когда на катушку подается постоянный ток, подключенный к источнику постоянного тока, ток I течет по длине катушки. Электрический ток в катушке взаимодействует с магнитным полем, и в результате на катушку действует сила в соответствии с уравнением силы Лоренца. Сила пропорциональна силе магнитного поля и силы тока в проводнике.

Тот же принцип используется в двигателе постоянного тока, который состоит из нескольких катушек, намотанных на якорь, и все катушки испытывают одинаковую силу.Результатом этой силы является вращение якоря. Вращение проводника в магнитном поле приведет к возникновению крутящего момента. Магнитный поток, связанный с проводником, различается в разных положениях катушки в магнитном поле, и это вызывает индукцию ЭДС в катушке в соответствии с законами электромагнитной индукции Фарадея. Эта ЭДС называется обратной ЭДС. Направление этой ЭДС противоположно напряжению питания, которое отвечает за протекание тока в проводнике.Следовательно, общая величина тока, протекающего в якоре, пропорциональна разнице между напряжением питания и обратной ЭДС.

Электрический эквивалент двигателя постоянного тока показан ниже.

Эквивалентная схема двигателя постоянного тока

Электрическая эквивалентная схема двигателя постоянного тока разделена на две цепи: цепь возбуждения и цепь якоря. Полевая цепь отвечает за магнитное поле и питается отдельным постоянным напряжением V _f . Сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения представлены R _f и L _f .В результате напряжения в обмотке возникает ток I _f , который создает необходимое магнитное поле.

В якоре напряжение V _T приложено к клеммам двигателя, а в цепи якоря протекает ток I _a . Сопротивление обмотки якоря Ra, а полное напряжение, индуцированное в якоре, составляет E _b .

Применение закона Кирхгофа для обеих цепей,

В _f = I _f * R _f

В _T = I _a * R _a + E _b

Крутящий момент, развиваемый в двигателе, составляет

T = K * I _a * Φ

Где k — постоянная величина, зависящая от геометрии катушки, а Φ — магнитный поток.

Электрическая мощность двигателя E _b * I _a .

Развиваемая мощность, которая представляет собой мощность, преобразованную в механическую форму, приведена ниже:

P = T * ω _n где ω — угловая скорость.

Это полная мощность, которая передается наведенному напряжению якоря, а

E _b * I _a = T * ω _n

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока

в основном делятся на два типа по способу питания ротора.Это щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Как видно из названия, щетки присутствуют в щеточном двигателе постоянного тока для подачи тока на вращающийся якорь через коммутатор, тогда как в бесщеточном двигателе постоянного тока нет необходимости в щетках, поскольку он использует ротор с постоянными магнитами.

Матовый двигатель постоянного тока

В двигателях этого типа магнитное поле создается пропусканием тока через коммутатор и щетку, которые находятся внутри ротора. Следовательно, они называются щеточными двигателями. Щетки изготовлены из угля.Это могут быть двигатели с независимым возбуждением или с самовозбуждением.

Статорная часть двигателя состоит из катушек, соединенных по кругу таким образом, что образуются требуемые альтернативные северный и южный полюса. Эта катушка может быть установлена ​​последовательно или параллельно обмотке катушки ротора, образуя двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой и двигатели постоянного тока с параллельной обмоткой. Якорь или роторная часть двигателя постоянного тока состоит из коммутатора, который представляет собой токопроводящий проводник, подключенный на одном конце к медным сегментам, которые электрически изолированы.Внешнее питание может быть подключено к коммутатору через щетки при вращении якоря.

Типы щеточных электродвигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока

классифицируются по электрическому соединению обмотки якоря и обмотки возбуждения. Из разных типов соединений возникают разные типы двигателей. Двигатели постоянного тока делятся на основе генерации магнитного поля. Существует три основных типа двигателей постоянного тока: с раздельным возбуждением, с самовозбуждением и с постоянным магнитом. В двигателях с постоянными магнитами используется мощный магнит для создания необходимого магнитного поля.В случае двигателей с независимым возбуждением и двигателей с самовозбуждением в конструкции статора развернут электромагнит.

Двигатели постоянного тока с самовозбуждением снова делятся на три типа: с параллельным возбуждением, с последовательным возбуждением и с смешанным возбуждением.

Двигатели

с комбинированным возбуждением подразделяются на двигатели с кумулятивным смешанным возбуждением и дифференциальные электродвигатели с длинным шунтом и коротким шунтом в каждом из типов с комбинированным возбуждением.

Двигатели с автономным возбуждением

Как следует из названия, электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением использует отдельные источники питания для обмотки якоря и обмотки возбуждения.Это означает, что обмотка якоря и обмотка возбуждения электрически отделены друг от друга.

Двигатели с раздельным возбуждением

Ток якоря и ток возбуждения не мешают друг другу, поскольку их источники различны. Но общая входная мощность — это сумма отдельных мощностей. Если V _f и I _f — это напряжение и ток, соответствующие цепи магнитного поля, а V _t и I _a — напряжение и ток, соответствующие цепи якоря, то общая входная мощность определяется как V _f. * I _f + V _t * I _a .

Двигатели с самовозбуждением

В двигателях постоянного тока с самовозбуждением вместо отдельных источников напряжения обмотка возбуждения и обмотка якоря подключаются через единый источник питания. Это соединение может быть выполнено двумя способами: шунтирующим или параллельным и последовательным. Следовательно, самовозбуждающиеся двигатели снова подразделяются на двигатели постоянного тока с параллельной обмоткой и двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой.

Шунтирующие двигатели постоянного тока : В случае параллельных двигателей постоянного тока обмотка возбуждения и обмотка якоря подключаются параллельно через одно и то же питание, и, следовательно, обмотки возбуждения подвергаются полному напряжению на клеммах.Несмотря на то, что питание одинаковое, ток возбуждения и ток якоря различаются. Скорость параллельного двигателя постоянного тока постоянна и не зависит от механической нагрузки на выходе.

Структура параллельного двигателя постоянного тока показана ниже.

Шунтирующий двигатель постоянного тока

Электрический эквивалент параллельного двигателя постоянного тока показан ниже.

Шунтирующая эквивалентная цепь двигателя постоянного тока

Если E _b — это обратная ЭДС двигателя, то

V _t = E _b + I _a * R _a

Если постоянная якоря Ka и скорость его вращения ω, то

E _b = K _a * ω * Φ

Где Φ — магнитный поток.

Следовательно,

V _t = K _a * ω * Φ + I _a * R _a

Общий ток I _t = I _f + I _a

Следовательно, общая мощность P = V _т * I _т

Двигатели серии : В случае серийных двигателей постоянного тока обмотка возбуждения и обмотки якоря соединены последовательно с источником питания. Следовательно, в обмотке возбуждения и обмотки якоря протекает одинаковый ток.

Двигатель с последовательной обмоткой также называется универсальным двигателем, поскольку он работает от источника переменного или постоянного напряжения.

Двигатель с последовательной обмоткой всегда будет вращаться в одном и том же направлении независимо от полярности источника напряжения. Это связано с тем, что при изменении полярности полярность обмотки якоря и направление магнитного поля меняются одновременно. Скорость серийного двигателя постоянного тока зависит от механической нагрузки.

Схематическое изображение двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением показано ниже.

Двигатель постоянного тока серии

Электрический эквивалент последовательного двигателя постоянного тока показан ниже.

Эквивалентная схема двигателя постоянного тока серии

Составные двигатели: В двигателях с комбинированной обмоткой используется комбинация как последовательных обмоток, так и шунтирующих обмоток возбуждения. Последовательная обмотка включена последовательно с якорем двигателя, а параллельная обмотка включена параллельно.

Поскольку существует две цепи возбуждения, которые создают магнитные поля, составные двигатели постоянного тока можно разделить на два типа в зависимости от ориентации магнитного потока.Это кумулятивные составные двигатели постоянного тока и дифференциальные составные двигатели постоянного тока.

Если поток шунтирующего поля способствует потоку последовательного поля, т. Е. Оба находятся в одном направлении, то это совокупный составной двигатель постоянного тока. В этом случае полный магнитный поток складывается из отдельных потоков.

Φ _ВСЕГО = Φ _СЕРИЯ + Φ _SHUNT

Структура совокупности составных двигателей постоянного тока представлена ​​на следующем рисунке.

Суммарная составная цепь двигателя постоянного тока

Электрический эквивалент показан ниже.

Эквивалентная схема кумулятивного составного двигателя постоянного тока

В случае дифференциальных составных двигателей постоянного тока поток, создаваемый последовательным полем и шунтирующим полем, имеет противоположное направление, а общий поток представляет собой разницу между ними.

Φ _ВСЕГО = Φ _СЕРИЯ — Φ _ШУНТ

В этом случае чистый магнитный поток меньше исходного, и, следовательно, дифференциальные составные двигатели постоянного тока не находят многих практических применений.

Как накопительные, так и дифференциальные составные двигатели постоянного тока можно разделить на устройства с длинным шунтом и устройства с коротким шунтом на основе шунтирования обмотки возбуждения шунта.

В случае длинных параллельных двигателей обмотка возбуждения параллельна якорю и последовательной обмотке возбуждения.

Длинный шунт

Если обмотка возбуждения параллельна только якорю, то это короткий шунт.

Короткий шунт

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: В двигателях постоянного тока с постоянными магнитами для создания магнитного поля используется мощный магнит. Следовательно, двигатель постоянного тока с постоянными магнитами состоит только из обмотки якоря.

Щеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами показан ниже.

Image Resource Link:

Щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами меньше и дешевле двигателей постоянного тока с обмоткой статора. Обычно редкоземельные магниты, такие как самарий-кобальт или неодим-железо-бор, используются в качестве магнитов в двигателях постоянного тока с постоянными магнитами, поскольку они являются очень мощными магнитами и имеют сильные магнитные поля.

Характеристики скорости / момента двигателя постоянного тока с постоянными магнитами более линейны, чем у двигателей постоянного тока с обмоткой статора.

Недостатком щеточного двигателя постоянного тока является возникновение искр между коллектором и щетками в условиях большой нагрузки.Это выделяет большое количество тепла и сокращает срок службы двигателя.

Бесщеточный двигатель постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока

обычно состоят из ротора с постоянным магнитом и статора с обмоткой. Эта конструкция за счет использования постоянных магнитов в роторе устраняет необходимость в щетках в роторной части. Следовательно, в отличие от щеточных двигателей постоянного тока, этот тип не содержит щеток и, следовательно, не изнашивается щетками, так как выделяется небольшое количество тепла.

Ссылка на ресурс изображения:

Поскольку в двигателе нет щеток, должны быть другие средства для определения углового положения ротора.Датчики на эффекте Холла используются для создания сигналов обратной связи, необходимых для управления любыми полупроводниковыми переключающими устройствами. Бесщеточные двигатели постоянного тока дороже щеточных двигателей постоянного тока и более эффективны, чем их щеточные собратья.

Серводвигатель постоянного тока

Небольшой двигатель постоянного тока будет вращаться с высокой скоростью, но его крутящего момента недостаточно для перемещения любой нагрузки. Серводвигатель постоянного тока состоит из четырех частей: обычного двигателя постоянного тока, коробки передач для управления скоростью, схемы управления и блока определения положения.Коробка передач примет входную скорость высокой скорости и преобразует ее в более медленную, но более практичную скорость. Блок определения положения обычно представляет собой потенциометр. Схема управления представляет собой усилитель детектора ошибок.

В серводвигателях постоянного тока положение вала является обратной связью со схемой управления, и поэтому они используются в приложениях с обратной связью.

Потенциометр подсоединен к валу. Это позволяет цепи управления отслеживать положение двигателя. Это положение сравнивается схемой управления с опорным входным сигналом.Выход схемы управления — это обратная связь с двигателем. Если есть какое-либо несоответствие между текущим положением и референтным положением, на выходе усилителя обнаружения ошибок генерируется сигнал ошибки. По этому сигналу вал поворачивается, перемещается в нужное место и останавливается.

Большинство серводвигателей постоянного тока могут вращаться на 180 ⁰ в любом направлении. Серводвигатели постоянного тока используются в устройствах с дистанционным управлением, робототехнике и даже в крупных промышленных приложениях.

Ссылка на изображение:

Привод двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока можно включать и выключать с помощью транзисторов, переключателей или реле.Простейшей формой управления двигателем является линейное управление, в котором используется биполярный переходной транзистор, действующий как переключатель. Назначение цепей возбуждения — контролировать ток в обмотках. Скорость двигателя можно контролировать, изменяя величину базового тока транзистора. Если транзистор находится в активном состоянии, двигатель вращается с половинной скоростью, поскольку только половина напряжения питания поступает на двигатель. Двигатель вращается с максимальной скоростью, когда на него подается все напряжение питания. Это происходит, когда транзистор находится в состоянии насыщения.

Следующая схема используется для вращения двигателя в одном направлении.

Цепь управления однонаправленным двигателем

В приведенной выше схеме очень важны резисторы R _b и R ₁ . Резистор R _b используется для защиты цепи управления от скачков тока. Резистор R ₁ обеспечивает выключение транзистора, когда входной вывод находится в тройном состоянии.

Скорость двигателя можно регулировать путем модуляции напряжения питания, поскольку скорость пропорциональна среднему значению питания.

Импульсное питание

Процент времени включения называется рабочим циклом. Рабочий цикл для указанного выше импульса задается как β = a / (a ​​+ b).

Изменяя рабочий цикл, т.е. изменяя ширину импульса, можно изменять скорость вращения двигателя. Это называется методом ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Скорость также можно изменять без изменения ширины импульса. Это достигается изменением частоты импульса. Это называется ЧИМ (частотно-импульсная модуляция).

Изменение направления двигателя постоянного тока: Недостатком вышеупомянутой схемы управления является то, что она является однонаправленной, т.е. двигатель всегда вращается в одном направлении. Чтобы изменить направление вращения двигателя, необходимо поменять полярность питания. Для этого можно использовать разные переключатели.

Первое подключение использует переключатель DPDT (двухполюсный, двухпозиционный).

Подключение показано ниже.

DPDT-переключатель

Когда переключатель находится в положении A, двигатель вращается в прямом направлении.Когда клеммы двигателя подключены к переключателю в положении B, направление меняется на противоположное.

Второе соединение использует четыре переключателя SPST (Single Post, Single Throw).

Коммутатор SPST

Комбинируя разные переключатели, можно получить разные функциональные возможности.

Комбинации и соответствующие операции следующие.

A + D — прямое направление

B + C — обратное направление

A + B — остановка и тормоз

C + D — остановка и тормоз

Все ВЫКЛ — Остановлено

H — Драйвер мотора моста

Для достижения лучшего двунаправленного управления двигателем постоянного тока требуется схема, называемая H-мостом.Название H-мост дано из-за его схематического вида по отношению к положению двигателя на центральной планке. Эта схема может использоваться для перемещения тока в любом направлении через обмотки двигателя.

Схема драйвера двигателя постоянного тока с Н-мостом показана ниже.

H Схема управления мостом

Управляющий сигнал CNTRL 1, CNTRL 2, CNTRL 3 и CNTRL 4 используется для включения и выключения транзисторов Q1, Q2, Q3 и Q4 соответственно.

Операция не требует пояснений.Одно важное соображение, которое необходимо принять во внимание, заключается в том, что все полевые транзисторы должны быть в выключенном состоянии, когда входы непредсказуемы, чтобы транзисторы на каждой половине H-моста не включались одновременно. Следовательно, для каждого транзистора используется понижающий резистор.

Другая схема для реализации H-моста показана ниже.

L293D Микросхема драйвера двигателя

L293D IC — это микросхема драйвера двигателя, которая работает по концепции H-моста.Эта ИС позволяет двигателю двигаться в обоих направлениях. L293D IC — это 16-контактное устройство с двумя наборами входов и выходов. Следовательно, можно управлять двумя двигателями постоянного тока с помощью одной ИС.

Схема выводов микросхемы L293D приведена ниже.

Контакты 2, 7 и 10, 15 являются управляющими сигналами, которые используются для управления вращением двигателей.

для двигателя 1,

Контакт 2 = логическая 1 и контакт 7 = логический 0 — прямое направление

Контакт 2 = логический 0 и контакт 7 = логическая 1 — обратное направление

Для других комбинаций вращения нет.

Аналогично двигателю 2,

Контакт 10 = логическая 1 и контакт 15 = логический 0 — прямое направление

Контакт 10 = логический 0 и контакт 15 = логическая 1 — обратное направление.

Схема управления двумя двигателями с использованием ИС драйвера двигателя L293D показана ниже.

Источник напряжения VCC1 используется для внутренних операций, то есть для активации сигналов, включения или отключения. Для привода двигателя используется питание VCC2. Обычно VCC1 = 5 В и VCC2 = 9 или 12 В.

ДАЛЕЕ — ДАТЧИКИ ЗВУКА

Электродвигатели постоянного тока

и способы их привода

Дэвид Биркс, инженер по приложениям, Diodes Incorporated.

Электродвигатели постоянного тока существуют уже почти двести лет, с постоянным рядом усовершенствований за это время.В последнее время бесщеточные двигатели постоянного тока становятся все более популярными, но для многих применений щеточные двигатели постоянного тока по-прежнему являются правильным выбором. Щеточные двигатели дешевле и проще в управлении, поэтому они остаются популярным вариантом.

В этой статье мы объясним основы щеточных двигателей постоянного тока, а затем рассмотрим схемы, необходимые для их привода. Мы также познакомим вас с бесщеточными двигателями постоянного тока, их плюсами и минусами.

Основы электродвигателя постоянного тока с щеткой

Возвращаясь к основам, фундаментальный принцип электродвигателя, конечно, заключается в том, что он преобразует электричество в движение.Это достигается за счет взаимодействия между магнитами, один из которых обычно создается путем пропускания тока через провод, обвязанный вокруг ферритового сердечника. Ток, протекающий по проводу, создает второе магнитное поле. Это взаимодействует с первичным магнитным полем, создавая противодействующую силу, которая перемещает одну часть двигателя, обычно заставляя ее вращаться вокруг оси.

Щеточные двигатели постоянного тока состоят из четырех основных компонентов; неподвижный магнит (называемый статором), ротор, коммутатор и щетки (см. рисунок 1).Ротор состоит из одной или нескольких обмоток проволоки, намотанной вокруг сердечника из черного металла, обычно железа, и подключенного к источнику питания с помощью металлической «щетки». Когда мы пропускаем ток через обмотки ротора, генерируемое поле взаимодействует с полем статора и создает силу, которая вращает ротор. Статор может быть постоянным магнитом или электромагнитом, в зависимости от требований любого конкретного приложения.

Это все очень хорошо, но если бы мы просто использовали обычные провода для подключения обмоток ротора к источнику питания, как только ротор повернулся достаточно далеко, его магнитная сила фактически изменила бы направление — так что ротор просто двигался бы вперед и назад, а не вращается в одном направлении.

Чтобы исправить это, мы используем коммутатор, который представляет собой проводящую медную втулку вокруг оси ротора, физически и электрически разделенную на сегменты. Когда коммутатор вращается, он соединяет и отключает эти сегменты через щетки, подавая питание на разные пары сегментов. Это вызывает изменение полярности магнитного поля каждый раз, когда двигатель вращается на 180 °, что приводит к плавному и непрерывному вращению.

Рисунок 1: Двухполюсный щеточный двигатель

Альтернатива: бесщеточные двигатели постоянного тока

Как следует из названия, бесщеточный двигатель постоянного тока не имеет щеток.Вместо этого он использует транзисторы в электронной схеме управления, чтобы подавать и снимать мощность с провода ротора, создавая переменный ток от источника постоянного тока для реверсирования тока в каждом полупериоде, обеспечивая непрерывное вращение.

Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно более плавные и эффективные, чем щеточные двигатели, имеют более высокое отношение крутящего момента к мощности и предлагают более высокие скорости с более точным управлением. Из-за отсутствия износа щетки или коллектора они требуют меньше обслуживания и имеют более длительный срок службы.Однако одним из основных недостатков бесщеточного двигателя является стоимость самого двигателя и более сложной схемы привода, которая необходима.

Для обеспечения непрерывного движения контроллер бесщеточного двигателя меняет направление или фазу тока каждый раз, когда двигатель поворачивается на 180 градусов или на другую фиксированную величину, например 120 градусов для трехфазного двигателя.

Изменять управляющее напряжение можно с помощью аналоговых компонентов или в цифровом виде с помощью FPGA или микроконтроллера.Схема управления должна знать об относительном угловом положении двигателя, чтобы она могла активировать правильную фазу в нужное время. Это может быть достигнуто с помощью датчиков, с помощью оптического кодировщика или датчика на эффекте Холла, или без датчиков, путем определения угла поворота из обратной ЭДС, создаваемой магнитным полем. В любом случае часто используется универсальный драйвер двигателя, который объединяет необходимые функции в одной микросхеме.

Цепи привода щеточных электродвигателей

В принципе, как обсуждалось выше, щеточный электродвигатель не требует внешнего контроллера, так как изменение полярности магнитного поля осуществляется за счет того, что щетки создают и прерывают электрический путь через обмотки, обеспечивающие непрерывное вращение в одном направлении.

Для некоторых приложений этого достаточно. Но если мы хотим иметь возможность изменять скорость двигателя или менять направление вращения, нам нужна схема привода. Это может быть так же просто, как просто изменить направление тока, чтобы двигатель вращался в обратном направлении.

Чтобы изменить скорость, мы можем изменить напряжение, используя делитель потенциала, при этом скорость пропорциональна напряжению. Однако снижение напряжения таким способом неэффективно, так как делитель напряжения не снижает общий протекающий ток.Чтобы преодолеть это, часто используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая включает быстрое выключение и включение тока для снижения «среднего» напряжения на двигателе.

Рассмотрим пример простого однонаправленного приложения, например игрушки. Для этого нам нужен только один транзистор и обратный диод, который обеспечивает путь для рассеивания обратной ЭДС, которая в противном случае могла бы вызвать повреждение (см. Рисунок 2).

Чтобы можно было изменять скорость, нам нужен транзистор, который может выдавать требуемую мощность и может включаться и выключаться с помощью управляющего сигнала.Примером этого является DMTh5008LFDFWQ от Diodes Incorporated, прочное устройство MOSFET, работающее при температуре до 175 ° C. Устройство обеспечивает высокую плотность мощности: до 40 В и 11,6 А в компактном корпусе размером 2 x 2 мм.

Рисунок 2: Управление двигателем постоянного тока с однонаправленной щеткой

Если требуется изменить направление вращения двигателя, это может быть достигнуто с помощью «Н-мостовой» схемы, названной так потому, что в ней используются четыре транзистора для управления потоком тока (см. Рисунок 3).Когда два транзистора Q1 и Q4 включены, ток течет через двигатель (обозначенный «BDC» на рисунке 3) слева направо, заставляя его вращаться. Выключение Q1 и Q4 и включение Q2 и Q3 заставляет ток течь справа налево через двигатель, заставляя его вращаться в противоположном направлении. На рисунке 3 также показано, что нам все еще нужен обратный диод для каждого транзистора, как в однотранзисторной схеме, рассмотренной ранее. На практике эту функцию обеспечивает внутренний диод транзистора.

Рисунок 3: Устройство ворот H-образного моста

Теперь доступны устройства, которые объединяют все четыре транзистора H-моста в один корпус, например DMHC4035LSDQ. Это образует H-мост, который может переключать ток до 3 А. Он поставляется в пакете SO-8 и сертифицирован для автомобильного применения в соответствии со строгим стандартом AEC-Q101. Это устройство также можно использовать для управления однофазным бесщеточным двигателем.

Заключение

Матовые двигатели постоянного тока могут показаться менее привлекательными, чем их бесщеточные собратья, но они обеспечивают надежную, проверенную производительность, требующую менее сложной схемы привода, что сводит общие затраты к минимуму.

Выбор подходящего двигателя для любого конкретного применения зависит от конкретных требований этого приложения. Требуется ли точное управление положением двигателя с плавностью движения, обеспечиваемой бесщеточными двигателями, или может более простая и недорогая щеточная альтернатива предоставить лучшее решение? Важно ли избегать износа и технического обслуживания, которое может обеспечить бесщеточный двигатель, или двигатель приложения работает так редко, что износ щеток и коллектора является второстепенным?

Если приложение не оправдывает более высокую стоимость и сложность, которые связаны с функциями, предлагаемыми бесщеточным электродвигателем, то щеточный электродвигатель постоянного тока в сочетании с правильной схемой привода все еще может обеспечить очень привлекательное решение.

Что такое двигатель постоянного тока? | Принцип работы двигателя постоянного тока

Первый двигатель постоянного тока был изобретен в 18 веке. С тех пор этот мотор получил широкое развитие. Этот двигатель постоянного тока находит широкое применение во многих отраслях промышленности. Двигатель постоянного тока был разработан британским исследователем Стердженом в начале 1800-х и начале 1832 года с усовершенствованиями.

Он изобрел первые двигатели постоянного тока коммутаторного типа, которые могут имитировать механизмы. Но мы зададимся вопросом, каков КПД этого двигателя и почему необходимо знать скорость двигателя постоянного тока.Итак, сегодня мы увидим, что такое двигатель постоянного тока. Сегодня мы увидим, каков принцип его работы и как контролировать скорость этого двигателя постоянного тока.

Что такое двигатель постоянного тока?

Двигатель постоянного тока приводится в действие постоянным током. В котором он работает, чтобы преобразовать полученную электрическую энергию в механическую. Это запускает вращательное изменение устройства, обеспечивая тем самым мощность для управления различными приложениями в нескольких доменах.

Управление скоростью двигателя постоянного тока — одна из наиболее полезных функций двигателя.Контролируя скорость двигателя, вы можете изменить скорость двигателя в соответствии с вашими требованиями и получить требуемую производительность.

Управление скоростью — это механизм, применяемый во многих случаях, таких как управление движением роботизированного транспортного средства, движением мотора на бумажной фабрике и движением мотора в лифте с использованием различных двигателей постоянного тока.

Также читайте: Разница между двигателем переменного тока и двигателем постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока:

Простой двигатель постоянного тока работает по принципу: когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.В практическом двигателе постоянного тока якорь является проводником с током, а поле создает магнитное поле.

При подаче тока на якорь создает собственный магнитный поток. Магнитный поток либо добавляет к магнитному потоку из-за намотки поля в одном направлении, либо компенсирует магнитный поток из-за намотки поля. Накопление магнитного потока в одном направлении оказывает на проводник большее усилие по сравнению с другим, и, следовательно, он продолжает вращаться.

Вращающее действие проводника создает ЭДС согласно закону электромагнитной индукции Фарадея. Это противоречит разуму согласно правилу линзы EMF. Это означает, что напряжение питания, таким образом, имеет особую характеристику регулирования крутящего момента в случае различных нагрузок из-за ЭДС за двигателем постоянного тока.

Почему важно регулировать скорость двигателя постоянного тока?

Контроль скорости в машине показывает влияние на скорость вращения двигателя.Если это оказывает прямое влияние на эффективность машины и имеет большое значение для производительности и результата работы. У каждого типа материала своя скорость вращения при сверлении, а также она зависит от размера каждого сверла.

Пропускная способность будет изменяться в зависимости от состояния насосной установки, и поэтому конвейерная лента должна быть синхронизирована с функциональной скоростью устройства. Этот фактор прямо или косвенно зависит от скорости двигателя.Из-за этого следует учитывать скорость двигателя постоянного тока и соблюдать различные типы методов управления скоростью.

Управление скоростью двигателя постоянного тока

осуществляется вручную или с помощью любого автоматического средства управления. Это похоже на ограничение скорости, при котором должно быть регулирование скорости, а не естественное изменение скорости из-за изменения нагрузки на вал.

Принцип управления скоростью:

Уравнение напряжения двигателя постоянного тока выглядит следующим образом:

  В = Eb + IaRa  

В — заданное напряжение, Eb — задняя ЭДС, Ia — ток якоря, Ra — сопротивление якоря.

Что мы уже знаем

  Eb = (PøNZ) / 60 А.  

P = количество полюсов.

А — постоянная.

Z — количество жил.

Н — скорость двигателя.

Изменив значение Eb в уравнении напряжения, мы получим

  В = ((PøNZ) / 60A) + IaRa 

  Или, V - IaRa = (PøNZ) / 60A  

т.е. N = (PZ / 60A) (V — IaRa) /

Вышеприведенное уравнение также можно записать как:

  N = K (V - IaRa) / ø, K - постоянная  

Это предполагает три вещи:

• Скорость двигателя прямо пропорциональна напряжению питания.
• Скорость двигателя обратно пропорциональна падению напряжения якоря.
• Скорость двигателя обратно пропорциональна расходу из-за полевых данных.

Таким образом, скорость двигателя постоянного тока регулируется тремя способами.

• Путем разделения заданного или питающего напряжения.
• Путем изменения потока и изменения тока в обмотке возбуждения.
• путем изменения напряжения якоря и изменения сопротивления якоря.

Также читайте: Лучший метод смены полюсов | Контроль скорости асинхронного двигателя

Несколько методов управления скоростью двигателя постоянного тока:

На рынке доступны два типа двигателей постоянного тока, поэтому здесь мы поговорим о методе регулирования скорости как для серийных, так и для параллельных двигателей.

Управление скоростью двигателя серии

осуществляется двумя способами:

• Техника с управляемым якорем.
• Техника с полевым управлением.

Техника управления якорем подразделяется на три типа:

• Регулируемое сопротивление якоря
• Регулировка параллельного якоря.
• Напряжение на зажимах якоря.

Контролируемое сопротивление якоря:

Эта система наиболее широко используется на рынке.Регулятор в этой системе имеет последовательное соединение с источником питания двигателя сопротивления, который вы можете видеть на рисунке ниже.

Потери мощности при управлении сопротивлением в этом двигателе можно игнорировать, поскольку этот метод регулирования в основном используется в течение длительного времени для снижения визуальной скорости световой нагрузки. Это рентабельный метод получения постоянного крутящего момента, который в основном применяется в приводных кранах, поездах и других транспортных средствах.

Управление шунтированным якорем:

В этом типе управления якорем реостат будет иметь соединение с якорем как в последовательном, так и в параллельном соединении.Напряжение изменится до уровня, приложенного к якорю, и это зависит от изменения реостата серии.

Когда изменение потока возбуждения происходит за счет изменения шунтирующего реостата. Этот метод управления скоростью в двигателе постоянного тока не так уж и дорог. Из-за значительных потерь электроэнергии в сопротивлении регулирования скорости. Скорость можно до некоторой степени контролировать, но не выше нормального уровня.

Напряжение на клеммах якоря:

Скорость двигателя постоянного тока также можно регулировать, подавая питание на двигатель с использованием различных индивидуальных напряжений питания.Даже этот подход дорог и не используется широко.

Технологии с полевым управлением подразделяются на следующие два типа:

• Полевой дивертер.
• Управление заданным полем (Tapped field control).

Техника полевого дивертора:

В этой технике используется дивертер. Скорость потока через поле можно уменьшить, отключив некоторую часть тока двигателя в области диапазона.Сопротивление дивертора низкое, а поток поля слабый.

Этот метод используется для более чем нормального диапазона скоростей и применяется в электрическом отводе, где скорость увеличивается по мере уменьшения нагрузки.

Контроль зарезанного поля:

Даже внутри этой системы скорость увеличивается с уменьшением потока, и это достигается за счет уменьшения поворота поля, откуда поток течет. Здесь извлекается количество ответвлений в обмотке возбуждения, и этот метод используется в электрической тяге.

Читайте также: Что такое электродвигатель? | Различные типы электродвигателей

Регулировка скорости параллельного двигателя постоянного тока:

Управление скоростью параллельного двигателя постоянного тока подразделяется на два типа:

• Техника с полевым управлением.
• Техника с управляемым якорем .

Метод полевого управления параллельным двигателем постоянного тока:

В этом методе существует множество магнитных потоков из-за обмотки возбуждения, изменяющей скорость двигателя.

Магнитный поток зависит от тока, протекающего через обмотку возбуждения. Таким образом, это поле можно изменять, разделяя ток по обмотке. Это может быть достигнуто путем последовательного включения переменных резисторов с резисторами обмотки возбуждения.

Первоначально, когда переменный резистор находится в минимальном положении. Номинальный ток течет через обмотку возбуждения из-за номинального напряжения питания. И в результате скорость остается нормальной. Поток через обмотку возбуждения уменьшается, когда сопротивление постепенно увеличивается.Это, в свою очередь, снижает производимый поток. Таким образом, скорость двигателя превышает его нормальное значение.

Метод контроля сопротивления якоря для параллельного двигателя постоянного тока:

В этом методе скорость двигателя постоянного тока можно контролировать, управляя сопротивлением якоря, чтобы контролировать падение якоря. В этом методе также используются переменные резисторы, включенные последовательно с якорем.

Сопротивление якоря в норме, когда переменный резистор достигает минимального значения и, следовательно, напряжение якоря уменьшается.Когда значение сопротивления постепенно увеличивается, напряжение в якоре уменьшается и, в свою очередь, приводит к снижению скорости двигателя. Этот метод позволяет достичь скорости двигателя ниже его нормального диапазона.

Теория управления скоростью двигателя постоянного тока:

Чтобы получить скорость двигателя постоянного тока, мы начнем с уравнения ЭДС двигателя постоянного тока. Уравнение ЭДС двигателя постоянного тока точно такое, как мы его знаем.

Вот почему мы переписываем уравнение

N = 60A E / PZØ

Если K = PZ / 60A, тогда:

N = E / kØ.

Поэтому при E = V — IaRa получаем скорость двигателя постоянного тока (N):

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

1. Каковы методы управления скоростью двигателя постоянного тока?

Существует три основных способа регулирования скорости двигателя постоянного тока, а именно:

• Система управления потоком.
• Система стабилизации напряжения.
• Система контроля сопротивления якоря.

2. Почему мы контролируем скорость двигателя постоянного тока?

Двигатели постоянного тока

играют важную роль в преобразовании энергии. Это похоже на любую другую машину, которая преобразует электрическую энергию в механическую. В механической системе скорость изменяется в зависимости от количества задач, поэтому для правильной механической работы требуется регулирование скорости, чтобы двигатель работал плавно.

3. Какое устройство используется для регулирования скорости двигателя постоянного тока?

В этом методе скорость двигателя постоянного тока можно контролировать, управляя сопротивлением якоря, чтобы контролировать падение якоря.В этом методе также используются переменные резисторы, включенные последовательно с якорем.

4. Какие бывают 3 типа двигателей постоянного тока?

На рынке доступны три основных типа двигателей постоянного тока: серийные, шунтирующие и составные. Эти условия относятся к типу соединения обмоток возбуждения по отношению к цепи якоря.

Понравился пост? Поделитесь этим с вашими друзьями!

Рекомендуемое чтение —

История мотора — Правило, принцип и история —

С 1973 года Adamant Namiki специализируется на небольших двигателях и производстве двигателей без сердечника.Хотим немного рассказать о моторах.

Что такое мотор?

Двигатель — электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в кинетическую.

Правило левой руки Флеминга

Когда катушка и магнит расположены достаточно близко, движение в одной из них генерирует электричество в катушке. А подача тока в катушку в магнитном поле создает силу. Когда магнитная линия находится в направлении указательного пальца, сила создается в направлении большого пальца током, приложенным к направлению среднего пальца.Это называется «правилом левой руки Флеминга».

Принцип вращения двигателя без сердечника

История внедрения двигателей

1820 >>>

Ганс Кристиан Эрстед (1777 ~ 1851) продемонстрировал в открытых экспериментах, что электрический ток имеет магнитное действие. Установите вращающуюся магнитную иглу рядом с проводом, принимающим электрический заряд. Подача электрического тока поворачивает магнитную стрелку, а изменение направления электрического тока меняет поворот иглы на противоположное.Этот электромагнетизм привел к более позднему диску Араго, закону Био-Савара, закону круговорота Ампера и закону индукции Фарадея.

1821 >>>

Майкл Фарадей (1791 ~ 1867) изобрел первый электромотор, названный двигателем Фарадея. Стержневой магнит, установленный в ртути, когда свободно движущаяся проволока помещается и возбуждается, проволока начинает вращаться вокруг магнита.

1825 >>>

Франсуа Жан Доминик Араго (1786–1853) обнаружил диск Араго.Discovery — это магнитная игла, установленная над медным диском, которая реагирует на качание при вращении диска.

1831 >>>

Фарадей открыл закон индукции Фарадея. Электромагнитная индукция — это генерация тока при изменении магнитного поля в катушке.

1832 ~ 1834 >>>

Роторный двигатель (двигатель постоянного тока) был изобретен Уильямом Стердженом (1783–1850) в 1832 году, Морицем фон Якоби (1801–1874) в 1834 году и Томасом Давенпортом (1802–1851) в 1834 году (запатентовано в 1837 году).Ни один из них не смог найти практического применения из-за необходимости использования батарейки для электромагнита.

Список литературы

Хироси Ивамото: История электрических технологий. Ohmsha, 2003
Shunkichi Kisaka: История науки и техники по возрастам с упором на электронику. NIKKAN KOGYO SHIMBUN, LTD., 2001
Юдзо Такахаши: История электротехники. Токийский университет Дэнки, 2011
Киндзи Таникоши: МАЛЫЙ МОТОР NIKKAN KOGYO SHIMBUN, LTD., 1999
Наокава Кадзуя: История науки и технологий — Развитие электрических и электронных технологий.Токийский университет Денки, 1998 г.

Объяснение урока: Двигатели постоянного тока

В этом объяснении мы узнаем, как описать использование коммутатора для создания равномерного кругового движения на выходе источника постоянного тока.

Двигатель постоянного или постоянного тока — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в кинетическую. Это происходит по принципу электромагнитной индукции. Мы собираемся взглянуть на конструкцию двигателя постоянного тока и посмотреть, как он работает.

Давайте начнем с того, что посмотрим, как устроен двигатель постоянного тока.Базовая конструкция показана на схеме ниже.

Устройство называется двигателем постоянного тока, потому что оно работает от источника постоянного тока. Источник постоянного тока, такой как аккумулятор, — это источник тока, который всегда посылает ток в том же направлении.

Источник постоянного тока подключен проводами к двум щеткам. Провода и щетки показаны на схеме синим цветом. Эти кисти изогнуты, чтобы электрический контакт с коммутатором, который находится между двумя щетками.

Коммутатор показан на схеме оранжевым цветом. Коммутаторы обычно выглядят как круг или сплошное кольцо, разделенное на две половины. Они сделаны из металл, и поэтому они проводят электричество. Однако зазор между двумя половинами означает, что они электрически отделены друг от друга, то есть заряды не могут течь напрямую от одной половины коммутатора к другой.

Каждая половина коммутатора подключена к одному концу петли провода. Эта проволочная петля, показанная на схеме розовым цветом, называется катушкой.Иногда также называется арматурой. Проволочная петля нарисована так, что ориентирована в горизонтальной плоскости. Однако он может вращаться вместе с коммутатором, вокруг оси, проходящей через его центр. Эта ось изображена на схеме серой пунктирной линией.

Вокруг якоря находится постоянный магнит. На схеме это показано серым цветом. Этот магнит часто называют статором. Название выбрано так, чтобы подчеркнуть Дело в том, что эта часть двигателя остается неподвижной, в отличие от вращающейся катушки.

Коммутатор и щетки показаны крупным планом на схеме ниже. Проиллюстрированы две различные конструкции коммутатора: коммутатор может состоять из любого две D-образные половины, как на левой диаграмме, или две половинки разрезного кольца, как на правой диаграмме. Эти диаграммы показаны «сзади». коммутатор по сравнению с предыдущей схемой. Важно отметить, что каждый конец проводящей петли провода подключен к одной половине коммутатора.При вращении коммутатора и петли концы провода остаются прикрепленными к половинкам коммутатора.

Изначально мы нарисовали схему двигателя постоянного тока, на которой все части двигателя были выделены разными цветами. Однако теперь, когда мы определили различные компоненты, возможно, будет полезнее изобразить его следующим образом.

Во второй версии схемы мы использовали серый цвет для всех частей двигателя, которые остаются неподвижными, и мы использовали оранжевый цвет для всех частей. двигателя, который может вращаться.

Рассмотрим путь, по которому идет ток. Это показано на схеме ниже, где катушка ориентирована горизонтально.

Мы можем вспомнить, что обычный ток меняется с положительного на отрицательный. Это означает, что у нас есть ток, идущий от положительной клеммы.

Зазор между двумя половинами коммутатора блокирует передачу тока непосредственно на отрицательную клемму. Однако, поскольку каждый конец катушки подключенный к одной половине коммутатора, ток проходит через катушку.Ток следует по петле, образованной катушкой, пока не достигнет другой половины. коммутатора.

Эта вторая половина коммутатора контактирует со щеткой, подключенной к отрицательной клемме. Это дает течению маршрут, по которому нужно следовать, чтобы достичь отрицательного терминал, тем самым завершая цепь.

Теперь давайте подумаем, что на самом деле делает этот ток, заставляя это устройство работать как двигатель.

Основной принцип, лежащий в основе работы двигателя постоянного тока, заключается в том, что электрический заряд, движущийся в магнитном поле, испытывает силу.

В данном конкретном случае мы рассматриваем поток зарядов в проводе, другими словами, электрический ток. У нас есть провод определенной длины, несущий ток в присутствии магнитного поля. Поскольку провод содержит движущиеся заряды, мы знаем, что на него будет действовать сила.

Уравнение: сила, действующая на провод с током в магнитном поле

Рассмотрим провод длины 𝐿, по которому течет ток величиной 𝐼 в присутствии магнитного поля 𝐵.

Если направление провода перпендикулярно направлению магнитного поля, то величина силы, действующей на провод, определяется выражением 𝐹 = 𝐵𝐼𝐿.

Направление силы перпендикулярно как току в проводе, так и магнитному полю, и его можно найти с помощью правила левой руки.

Сила, действующая на провод, действует перпендикулярно направлению тока в проводе и направлению магнитного поля. Итак, давайте посмотрим на направления тока и магнитного поля.

Направление магнитного поля указано на диаграмме выше. Мы знаем, что магнитное поле между двумя полюсами магнита исходит от северного полюса. к южному полюсу; в нашем случае это слева направо на экране.

Также указывается направление тока в обеих частях катушки, перпендикулярных магнитному полю. Напомним, что только ток перпендикулярно полю приведет к силе. С левой стороны катушки этот ток направляется на экран.Справа текущий направлен за пределы экрана к нам.

Обратимся к левой стороне катушки. Здесь ток направлен на экран. Магнитное поле направлено слева направо. Мы знаем это сила должна быть перпендикулярна обеим этим величинам, но остается два варианта: вверх или вниз.

Чтобы определить, в каком из этих направлений направлена ​​сила, мы можем использовать правило левой руки Флеминга.

Правило: правило левой руки Флеминга

Правило левой руки Флеминга позволяет нам найти направление силы на проводе с током в магнитном поле при условии, что поле и текущие направления перпендикулярны.

Правило визуально показано на диаграмме выше. Это работает следующим образом:

• Левой рукой мы указываем первым или указательным пальцем в направлении магнитного поля.
• Затем мы указываем вторым пальцем под углом 90 ° к первому по направлению тока.
• Наш большой палец, расположенный под углом 90 ° к обоим пальцам, затем указывает направление силы на провод.

Давайте применим это правило левой руки к катушке с проводом в нашем двигателе.

Мы начнем с рассмотрения левой стороны нашей катушки с проволокой.Здесь ток направлен от нас. Магнитное поле направлено вправо. Применяя правило левой руки, мы указываем первым пальцем по направлению поля, а вторым — по текущему направлению. Это показано на схеме ниже.

Мы обнаруживаем, что наш большой палец вверх указывает вниз. Это говорит нам о том, что сила, действующая на левую сторону катушки, направлена ​​вниз.

Мы можем применить тот же процесс к правой стороне катушки. В этом случае направление поля по-прежнему правое, но ток теперь направлен на нас.С помощью правила левой руки можно легко проверить (и это полезно попробовать), что сила на этой правой стороне катушки действует вертикально вверх.

Итак, силы, действующие на эти две стороны катушки, показаны на диаграмме ниже. На этой диаграмме слева показан вид сверху вниз, в котором текущий направление указано. Справа мы показали вид сбоку, на котором указаны силы. На этой диаграмме вида сбоку мы также указали текущий направление с помощью символов ⊗ (внутрь экрана) и ⊙ (за пределы экрана).

Здесь стоит повторить, что две другие стороны катушки не испытывают силы. Причина в том, что ток в этих сторонах проходит либо параллельно, либо антипараллельно направлению магнитного поля.

Давайте рассмотрим пример, который поможет познакомиться с двигателями постоянного тока и попрактиковаться в использовании правила левой руки.

Пример 1: Определение направления тока в катушке двигателя постоянного тока

На схеме показан двигатель постоянного тока.Показанные розовые стрелки представляют силы, действующие на катушку. Какой из терминалов 𝑎 или 𝑏 — это положительный полюс двигателя?

Ответ

Вопрос заключается в том, чтобы определить, какой из двух выводов, помеченных и 𝑏, является положительным. Для этого нам нужно определить направление тока, поскольку мы знаем, что обычный ток направлен от положительного к отрицательному.

Нам дано направление силы на левой и правой сторонах катушки.Мы также знаем, что магнитное поле направлено от северного полюса. к южному полюсу постоянного магнита; это слева направо.

Теперь мы можем обратиться к нашему правилу левой руки. Будем рассматривать левую часть катушки. В этом случае мы знаем направление магнитного поля (на который мы указываем наш первый или указательный палец) направлено вправо, а направление силы (на которое мы указываем большим пальцем) — вверх.

Мы обнаруживаем, что наш второй палец, определяющий текущее направление, указывает на нас.Это означает, что ток в левой части провода направлено на нас, за пределы экрана.

Поскольку направление тока не может измениться только частично вокруг цепи, мы можем видеть, что ток должен затем следовать по этому пути в двигателе:

Затем, поскольку ток направлен с положительного на отрицательный, мы видим, что ответ на вопрос в том, что положительный вывод — это.

В начале этого объяснения мы сказали, что катушка может вращаться (вместе с коммутатором).Теперь мы увидели, что комбинация текущего в катушке и магнитное поле от статора (магниты вокруг катушки) приводит к силам, действующим на две стороны катушки.

Оказывается, именно эта сила вызывает вращение катушки. Точнее, крутящий момент, возникающий в результате этой силы, вызывает вращение.

Крутящий момент, возникающий в результате силы, определяется как произведение величины этой силы и перпендикулярного расстояния линии действия силы. от оси вращения.Другими словами, всякий раз, когда у нас есть сила, действующая на объект на некотором перпендикулярном расстоянии от оси, вокруг которой объект может вращаться, будет крутящий момент.

На схеме ниже мы видим ось, вокруг которой может вращаться катушка, то есть ось вращения. Мы также можем видеть, что две силы не действуют. вдоль этой оси, но на некотором расстоянии от нее.

Расстояние сил от оси было выделено на диаграмме двумя черными пунктирными стрелками.Поскольку силы не вдоль оси, они действительно будут приведет к возникновению крутящего момента на катушке.

В этом случае левая сила действует вниз, а правая сила действует вверх. Итак, как и следовало ожидать, крутящий момент вызывает катушку (вместе с коммутатор), чтобы вращаться в направлении, показанном на диаграмме, то есть против часовой стрелки от направления, в котором мы на него смотрим.

До сих пор весь наш анализ проводился, когда катушка находится в горизонтальной плоскости. Однако мы только что показали, что силы, действующие на катушку в этой точке, создают крутящий момент, который заставляет его вращаться.Это означает, что нам также необходимо учитывать, что происходит, когда катушка поворачивается на другие углы.

Давайте рассмотрим случай, когда катушка повернулась на некоторую величину меньше 90 ° относительно первоначального горизонтальное положение мы рассмотрели. Это показано на схеме ниже.

Из схемы можно заметить, что коммутатор вращается вместе с катушкой, но каждая из двух половин коммутатора все еще находится в электрическом состоянии. контакт с той же щеткой.Для наглядности мы пометили половины коммутатора 1 и 2. Тогда можно сказать, что на данный момент половина коммутатора 1 все еще находится в контакте. с положительной клеммой, а половина коммутатора 2 все еще находится в контакте с отрицательной клеммой.

Это означает, что электрический заряд по-прежнему перемещается по цепи так же, как и раньше, когда катушка была горизонтальной. Течение имеет то же направление в левой и правой частях катушки, как и раньше.

Поскольку направления тока остались прежними и направление магнитного поля тоже не изменилось, это означает, что силы, действующие на каждой стороне катушки все еще в том же направлении, что и раньше.То есть сила с левой стороны действует вниз, а сила с правой стороны — вверх.

Как и раньше, эти силы не действуют на линию через центр вращения катушки. Это означает, что они действуют, создавая крутящий момент. Однако мы можем видеть из На диаграмме выше показано, что перпендикулярное расстояние этих сил от оси вращения меньше, чем когда катушка была горизонтальной. Потому что эти силы действуют ближе к оси вращения, чем раньше, величина создаваемого ими крутящего момента уменьшилась.

По мере того, как катушка поворачивается дальше от горизонтального положения и приближается к вертикальному положению на 90 °, величина крутящего момента на этой катушке становится все меньше и меньше по мере уменьшения расстояния сил от оси вращения.

Давайте теперь рассмотрим, что происходит при этом вертикальном положении катушки, которое показано на диаграмме ниже.

Из диаграммы видно, что любые силы, действующие на стороны катушки в этом положении, будут действовать вдоль оси вращения.Следовательно, крутящий момент не будет произведенные этими силами. Другими словами, когда катушка расположена таким образом вертикально, на нее не действует крутящий момент. Единственное, что заставляет катушку вращаться в этот момент у него есть некоторая инерция вращения; поскольку катушка уже двигалась против часовой стрелки, она будет продолжать двигаться, если не будет сопротивления.

Есть еще кое-что, что важно отметить на этой диаграмме: положение коммутатора.До этого момента половина коммутатора, помеченная 1 всегда находился в электрическом контакте с щеткой, подключенной к положительной клемме. Точно так же половина коллектора 2 всегда контактировала с щеткой. подключен к отрицательной клемме. Это вертикальное положение катушки представляет собой точку переключения. Поскольку катушка вращается за пределами этой точки, половина коммутатора 1 будет контактирует с отрицательной клеммой, в то время как половина коммутатора 2 будет контактировать с положительной клеммой.

Давайте посмотрим, что происходит с током в катушке после поворота за вертикаль. Теперь заряды текут от положительной клеммы к половине коммутатора 2. Они текут через катушку, пока не достигнут половины коммутатора 1. Затем они текут через правую щетку к отрицательной клемме. Это показано в правой половине диаграммы ниже.

Левая половина диаграммы показывает катушку до того, как она повернулась за вертикаль. Для наглядности мы обозначили стороны катушки 1 и 2 в соответствии с половина коммутатора, к которой каждый подключен.

Мы можем видеть, что когда катушка проходит через вертикальную ориентацию, направление тока в самой катушке изменяется. Прежде чем пройти через вертикаль, ток на стороне 1 был направлен от нас (в экран), а ток на стороне 2 был направлен на нас (за пределы экрана). Теперь, пройдя через По вертикали ток на стороне 1 направлен к нам, а на стороне 2 — от нас.

Однако направление тока в схеме за пределами катушки не изменилось.Ток по-прежнему направлен от плюсовой клеммы к левой щетке. и от правой щетки к отрицательной клемме. Добавление коммутатора вызывает изменение направления тока в катушке.

Мы видели, что происходит с током в катушке, когда она вращается за вертикаль. Теперь давайте также рассмотрим силы, действующие с каждой стороны катушки. Эти силы показаны на диаграмме ниже.

Мы снова показали катушку в двух положениях: до и после поворота катушки относительно вертикальной ориентации.Помимо указания направления тока на сторонах катушки в каждом случае мы обозначили силы, действующие с каждой стороны катушки. Направление этих сил можно проверить, применив правило левой руки.

Перед прохождением мимо вертикального положения (левая диаграмма) сила на стороне 1 была направлена ​​вниз, а сила на стороне 2 была направлена ​​вверх. Ранее, мы описали это как силу на левой стороне катушки, направленную вниз, и силу на правой стороне, направленную вверх.

Глядя на правую диаграмму, мы видим, что после того, как катушка вращается дальше вертикали, сила с левой стороны катушки все еще направлена ​​вниз. а сила с правой стороны все еще направлена ​​вверх. Однако сторона 1 теперь правая, а сторона 2 — левая. Поскольку направление изменился ток через катушку, изменилось и направление сил на каждой стороне катушки.

Рассмотрим пример.

Пример 2: Определение положений максимального и минимального крутящего момента в двигателе постоянного тока

На схеме показан двигатель постоянного тока.Катушка двигателя одновременно показана под четырьмя разными углами к магнитному полю двигателя.

1. В каком положении крутящий момент на обмотке двигателя максимален?
2. В каком положении крутящий момент на обмотке двигателя минимален?

Ответ

Часть 1

На схеме показаны четыре разных угла наклона катушки в двигателе постоянного тока. В положении I катушка расположена горизонтально. В положениях II и IV катушка находится на под углом 45∘ к этой горизонтали.В положении III катушка расположена вертикально.

Мы можем вспомнить, что на двух сторонах катушки, перпендикулярных направлению магнитного поля, действует сила. Это те стороны, которые направлен к нам или от нас (левая и правая стороны, когда катушка ориентирована горизонтально).

Крутящий момент на катушке зависит от величины самой силы, а также от расстояния линии действия этой силы от оси вращения.

Величина силы рассчитывается как 𝐹 = 𝐵𝐼𝐿, где 𝐵 — напряженность магнитного поля, 𝐼 — ток, и 𝐿 — длина провода.Поскольку ни одна из этих величин не меняется при вращении катушки, величина силы не изменится. Следовательно, любые изменения крутящего момента будут результатом изменения расстояния линии действия силы от оси вращения катушки.

Когда катушка ориентирована горизонтально, это расстояние увеличивается до максимума. Следовательно, крутящий момент на катушке наибольший, когда катушка ориентирована горизонтально, как в позиции I.

Часть 2

Крутящий момент будет минимальным для минимального расстояния между линией действия силы и осью вращения катушки.

Это произойдет, когда катушка находится в вертикальном положении. В этом случае расстояние от оси до любой из двух сторон катушки, перпендикулярных магнитному полюсу. направление поля равно нулю. Таким образом, когда катушка ориентирована вертикально, крутящий момент не только минимизирован, но фактически равен нулю.

Следовательно, наш ответ состоит в том, что крутящий момент на катушке минимизируется, когда катушка ориентирована вертикально, как в положении III.

Каждый раз, когда катушка вращается в вертикальном направлении, направление тока в катушке изменяется.Это означает, что направление сил на сторонах A и B также будут каждый раз меняться.

В результате сила на стороне катушки слева от вертикали (независимо от того, равна ли эта сторона 1 или 2) всегда будет направлена ​​вниз, в то время как сила с правой стороны катушки всегда будет направлена ​​вверх.

Это означает, что крутящий момент этих сил всегда будет поворачивать катушку в одном и том же направлении. Таким образом, катушка будет продолжать вращаться в том же направлении.

Рассмотрим еще один пример.

Пример 3: Определение направления вращения катушки в двигателе постоянного тока

Какая из диаграмм, показывающих двигатель постоянного тока, правильно отображает направление вращения двигателя? Катушка двигателя одновременно показаны под четырьмя разными углами к магнитному полю двигателя.

Ответ

Этот вопрос задает нам вопрос, какая из двух диаграмм показывает правильное направление вращения двигателя.Чтобы ответить на этот вопрос, напомним себе что вызывает это вращение.

Мы можем вспомнить, что вращение вызывается крутящим моментом на катушке и что этот крутящий момент является результатом силы, наведенной на токоведущие провода этой катушки.

Рассмотрим упрощенную схему, показывающую только один угол катушки. Мы нарисовали это ниже. Напомним, что из-за того, как коммутатор связывает щетки к катушке, если мы знаем, в каком направлении крутящий момент заставляет катушку вращаться на любой угол, тогда мы знаем, что эффект этого крутящего момента останется то же самое для всех углов катушки.Другими словами, катушка продолжит вращаться в том же направлении.

Мы можем вспомнить, что направление силы можно определить по направлению тока и направлению магнитного поля, используя правило левой руки.

Мы указали направление магнитного поля на диаграмме. Это направление направо, поскольку магнитное поле между двумя полюсами магнита идет от северного полюса к южному полюсу.

Поскольку обычный ток направлен от положительного к отрицательному, мы знаем, что ток в катушке будет направлен, как показано на схеме.

Рассмотрим левую часть катушки. Мы видим, что ток направлен от нас, а мы знаем, что магнитное поле направлено вправо.

Используя правило левой руки, мы указываем первым пальцем по направлению поля (вправо), а вторым — по текущему направлению. (прочь от нас). Это показано на диаграмме ниже.

Как показано на диаграмме, это ведет наш большой палец вниз. Следовательно, сила на левой стороне катушки действует вниз.

Если мы применим то же правило левой руки к правой стороне катушки, мы обнаружим, что сила на этой стороне действует вверх, поскольку в этом случае ток направлен на нас.

Силы показаны на диаграмме ниже.

Поскольку действуют силы, толкающие левую сторону катушки вниз, а правую сторону вверх, мы видим, что они передадут нам крутящий момент. что заставляет катушку вращаться против часовой стрелки.

Сравнивая с диаграммами, приведенными в вопросе, мы видим, что правильное направление вращения, против часовой стрелки, показано на диаграмме B.

Теперь мы рассмотрели все основы, лежащие в основе работы двигателя постоянного тока. Осталась только одна часть: как эта вращающаяся катушка на самом деле работает как двигатель?

Ответ заключается в том, что стержень размещен вдоль оси вращения катушки. При вращении катушки эта полоса также вращается вместе с ней.

Этот вращающийся стержень может затем заставить вращаться шестеренку или другой механический объект, и этот вращающийся объект может выполнять механическую работу. Таким образом, двигатель постоянного тока использует электрическую энергию из цепи для создания механической работы.

В заключение подведем итоги тому, что мы узнали.

Ключевые моменты

• Двигатель постоянного или постоянного тока использует электрическую энергию для создания механической работы.
• Двигатель состоит из катушки с проволокой, прикрепленной к коммутатору, который может свободно вращаться в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом («статором»).
• Две стороны катушки, перпендикулярные магнитному полю («левая» и «правая» стороны, когда катушка расположена горизонтально) испытывать силу, которая определяется выражением 𝐹 = 𝐵𝐼𝐿, где 𝐵 — напряженность магнитного поля, 𝐼 — ток в проводе, а 𝐿 — длина провода (в данном случае длина стороны катушки).
• Направление силы на каждой из этих двух сторон катушки можно найти с помощью правила левой руки.
• Эти силы вызывают крутящий момент, заставляющий катушку вращаться.

Полное руководство (обязательно к прочтению)

Вам нужен двигатель постоянного тока для вашего инженерного проекта, но вы об этом не знаете? Или вам нужна дополнительная информация о том, как применить его к электронному устройству? Тогда вы попали в нужное место.

Двигатели постоянного тока

необходимы, если вы хотите создать движение в любом устройстве, но понять его может быть сложно, потому что он наполнен массой математических и физических понятий.

Итак, если вы столкнулись с таким препятствием, вам понадобится упрощенное руководство, которое поможет. Вот где мы и пришли. Кроме того, эта статья расскажет вам, что вам нужно знать о двигателях постоянного тока, о том, как они работают, их типах и различных областях применения.

Приступим.

1. Что такое двигатель постоянного тока и как он работает?

В этом разделе мы определим двигатель постоянного тока и объясним вам, как он работает.

1.1. Что такое двигатель постоянного тока?

Изображение двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока

— это электрические машины, преобразующие электрическую энергию в движение. В качестве вращающейся машины двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию посредством постоянного тока. Кроме того, двигатели постоянного тока могут различаться по мощности и размеру — от малых, как двигатели, приводящие в движение игрушки, и от крупных, как механизмы, приводящие в действие лифты и транспортные средства.

Но это еще не все.

Двигатель постоянного тока состоит из двух важнейших компонентов: катушки якоря и статора.Кроме того, вращение якоря — это вращающаяся часть двигателя Hobby, а статор — это часть, которая остается неподвижной.

Опять же, статоры похожи на постоянные подковообразные магниты, которые создают магнитное поле, необходимое для вращения якоря.

Кроме того, двигатели постоянного тока отлично подходят для питания ряда устройств, особенно если вы хотите заставить их двигаться. Поскольку он различается по размеру, вы можете использовать его как для больших, так и для небольших проектов.

Plus, вы можете найти двигатели постоянного тока во многих портативных бытовых приборах, автомобилях и промышленном оборудовании.

1.2. Каков основной принцип двигателя постоянного тока

Для двигателя постоянного тока, чтобы произвести движение, он следует фундаментальному принципу.

И в нем говорится:

Когда вы помещаете проводник с током (поля якоря) в магнитное поле (статоры), он вызывает механическую силу (движение).

Согласно этому принципу, двигатели постоянного тока будут работать только тогда, когда ток якоря, проводящий ток, испытывает силу, достаточно мощную для его перемещения — при помещении в магнитное поле — создаваемое статорами.

2. Типы двигателей постоянного тока

Теперь, когда вы знаете, что такое двигатели постоянного тока и как они работают, давайте посмотрим на типы доступных двигателей постоянного тока; драйвер с одним или двумя двигателями.

Они включают;

1. Бесщеточный двигатель постоянного тока

бесщеточный двигатель постоянного тока

По названию можно сказать, что бесщеточный двигатель постоянного тока — это мини-электродвигатель без щеток.

Кроме того, щетки — это скользящие устройства, которые позволяют электричеству течь в медную катушку с проволокой.

Как же тогда бесщеточные двигатели постоянного тока генерируют энергию и движение?

Во-первых, бесщеточный двигатель постоянного тока имеет ротор с постоянными магнитами. Кроме того, в статоре есть электромагниты, окруженные компонентами двигателя, обмотками и катушками. Кроме того, катушки здесь неподвижны, что исключает необходимость использования щеток.

Итак, ротор вращается на 180 градусов из-за электрического тока, который проходит через цепь якоря.Кроме того, электромагнитные полюса обязательно вращаются, чтобы электрический ток продолжал работать.

Плюсы

• Бесщеточные двигатели при использовании не создают искр или шума трения
• Эффективен в легковоспламеняющихся средах
• Без щеток, без обслуживания
• Дешевле традиционных щеточных двигателей той же мощности
• Надежнее щеточных двигателей постоянного тока
• Обеспечивает низкие затраты на электроэнергию

Минусы

• Требуется электронный драйвер
• Удельная мощность в целом ниже.

2. Щеточные двигатели постоянного тока

щеточный двигатель постоянного тока

Двигатели постоянного тока с щетками являются аналогами бесщеточных двигателей постоянного тока. Этот электродвигатель и миниатюрные электродвигатели создают механическую силу — непосредственно от мощности постоянного тока, подаваемой на электродвигатель.

Также он использует внутреннюю коммутацию, стационарные магниты, вращающиеся электромагниты и, конечно же, щетки.

Щетки состоят из угля или графита и содержат диспергированную медь, которая помогает улучшить проводимость.

Плюсы

• Привлекательные цены
• Высокая надежность
• Измерение тока
• Замечательные угольные щетки
• Простое управление скоростью двигателя, несложное управление скоростью двигателя

Минусы

• Высокое обслуживание и небольшой срок службы для интенсивных пользователей

3.Шунтирующие двигатели постоянного тока

Модель с шунтом постоянного тока — это базовый драйвер двигателя с катушкой возбуждения, подключенной шунтом или параллельно якорю. Благодаря этому параллельному соединению обмотки возбуждения и якоря получают одинаковый диапазон рабочих напряжений.

Плюсы

• Широкий диапазон скоростей
• Мотор выдающейся серии
• Эффективный моторный привод
• Можно независимо управлять напряжением якоря и обмотками возбуждения
• Вы можете использовать шунтирующие двигатели постоянного тока на машине постоянного тока, если необходим широкий диапазон крутящего момента и скорости

Минусы

• Плохо для работы на малой скорости
• Большой размер по сравнению с другими двигателями
• Дорогие затраты на установку

4.Двигатели постоянного тока серии

Порядок намотки медной обмотки

для двигателей постоянного тока серии

Обмотки возбуждения и якоря соединены последовательно для последовательного двигателя постоянного тока, что позволяет пропускать более высокие токи.

Кроме того, двигатели постоянного тока серии используют закон электромагнитного поля для преобразования электрической энергии в механическую.

По конструкции двигатели постоянного тока серии аналогичны щеточным двигателям постоянного тока. Кроме того, он включает в себя такие компоненты, как щетки, статоры, арматуру и т. Д.

Плюсы

• Максимальный пусковой момент
• Обеспечивает высокий крутящий момент даже при перегрузке
• Низкое энергопотребление

Минусы

• Неправильная регулировка скорости.
• Увеличение скорости приводит к уменьшению крутящего момента.
• Действует только при загрузке.

5. Сердечные двигатели постоянного тока

обмотка медная катушка для двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока

с сердечником — популярный тип двигателей, используемых в промышленных машинах, используемых в крупносерийном производстве.

Но это еще не все.

Двигатель постоянного тока с сердечником также поставляется с постоянными магнитами, роторами, коммутаторами, синхронными двигателями, системами привода двигателей, держателями приводов двигателей и статорами.

Плюс, обмотки якоря намотаны на стальной сердечник и подключены к коммутатору. Двигатели постоянного тока с сердечником идеально подходят для крупномасштабных приложений, таких как автомобили, и небольших приложений, таких как игрушки.

Плюсы

• Очень экономично
• Электродвигатели низковольтные
• Прочный контроллер мотора
• Разумный контроль скорости при нескольких напряжениях
• С легкостью можно запускать, останавливать и реверсировать

Минусы

• Высокий уход за счет щеток

6.Двигатель постоянного тока без сердечника

набор электродвигателей постоянного тока без сердечника, используемых при создании дронов

Двигатель постоянного тока без сердечника очень похож на двигатель постоянного тока с сердечником. В нем также есть щетки и коммутаторы, но разница заключается в обмотках ротора. Кроме того, двигатель постоянного тока Coreless имеет сотовую конструкцию.

Бесщеточный двигатель постоянного тока имеет черты щеточного и бесщеточного двигателей, отсюда и его разновидности. Кроме того, вы можете использовать двигатели постоянного тока Coreless для продвинутой механики, такой как робототехника.

Плюсы

• Минимальный шум и вибрации в активном состоянии
• Он имеет более продолжительный срок службы
• Может ускоряться и замедляться с высокой скоростью
• Компактная и легкая конструкция
• Высокая эффективность

Минусы

• Дороже остальных моторов
• Нет радиатора для защиты от тепловых перегрузок
• Для безупречной работы требуется дополнительная электроника

3.Применение двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока можно использовать для разных целей. Кроме того, электродвигатель хорошо работает при динамическом торможении и движении задним ходом, а его регулируемая скорость делает его лучшим вариантом для промышленных машин.

Вот список лучших применений двигателей постоянного тока.

• Для игрушек, инструментов и другой бытовой техники
• Поворотные столы и конвейерные ленты
• Промышленная среда
• Робототехника
• Станки токарные, сверлильные, формовочные, прядильные и ткацкие
• Лифты, воздушные компрессоры, краны, фены

Вкратце

Ключевым фактором при принятии решения, какой двигатель постоянного тока купить, является определение того, что лучше всего подходит для вашего проекта или приложения.Например, производитель игрушек выберет малотоннажные двигатели, а промышленно развитые фирмы — большие и высокомеханизированные двигатели.

В конце концов, вам следует выбрать двигатель постоянного тока, который больше всего подходит для вашей организации, учитывая различные размеры и типы двигателей постоянного тока, которые я перечислял ранее в этой статье.

Итак, эта статья призвана помочь вам выбрать наиболее подходящий двигатель постоянного тока с наилучшим сроком службы для работы.

Если вы хотите получить дополнительную информацию по этой теме или о наших бизнес-услугах, не стесняйтесь обращаться к нам!

Д.C. Принцип двигателя, Электротехника, Электромеханическое преобразование энергии, EMEC, конспект лекций, pdf

Принцип двигателя постоянного тока

Машина, преобразующая постоянный ток. мощность в механическую, известна как постоянный ток. мотор. Его работа основана на том принципе, что при наличии тока
проводник помещен в магнитное поле, на проводник действует механическая сила. Направление этой силы задается правилом левой руки Флеминга и
величина определяется выражением;

По сути, конструктивной разницы между d.c. двигатель и постоянный ток генератор. Тот же d.c. машина может работать как генератор или двигатель.

Есть 2 типа двигателей: двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока. В этом курсе мы сосредоточимся только на двигателях постоянного тока. Итак, следующие обсуждения сосредоточены в основном на двигателях постоянного тока.

Существует несколько типов двигателей постоянного тока, например, шаговые двигатели, сервоприводы, щеточные / бесщеточные двигатели.

Шаговые двигатели : Входные сигналы шагового двигателя — это сигнальные импульсы, а вал шагового двигателя перемещается между дискретными положениями, пропорциональными импульсам.Если нагрузка двигателя не слишком велика, для управления двигателем обычно используется управление без обратной связи. Шаговые двигатели используются для позиционирования головок дисководов, плоттеров и многих других приложений.

Серводвигатели : Вход серводвигателя представляет собой значение напряжения, а выходной вал серводвигателя получает команду в определенное угловое положение в соответствии с входным напряжением. Серводвигатели используются в самолетах с радиоуправлением для управления положением закрылков и аналогичных устройств.

Двигатели постоянного тока : На вход двигателя постоянного тока подается ток / напряжение, а на выходе — крутящий момент (скорость).

Двигатель постоянного тока работает путем преобразования электроэнергии в механическую работу. Это достигается путем пропускания тока через катушку и создания магнитного поля, которое раскручивает двигатель. Простейший двигатель постоянного тока — это устройство с одной катушкой, используемое здесь для обсуждения теории двигателя постоянного тока. Более подробно этот процесс можно объяснить, наблюдая за диаграммой ниже.

На этой схеме источник напряжения пропускает напряжение через катушку через скользящие контакты или щетки, которые подключены к источнику постоянного тока.Эти щетки находятся на концах проводов катушки и обеспечивают временное электрическое соединение с источником напряжения. В этом двигателе щетки будут подключаться каждые 180 градусов, и ток будет течь по проводам катушки. На диаграмме 0 градусов щетки контактируют с источником напряжения и течет ток. Ток, протекающий через сегмент C-D провода, взаимодействует с присутствующим магнитным полем, и в результате на сегмент действует направленная вверх сила. Ток, протекающий через сегмент A-B, имеет такое же взаимодействие, но сила направлена ​​вниз.Обе силы имеют равную величину, но в противоположных направлениях, поскольку направление тока в сегментах меняется на противоположное по отношению к магнитному полю. На диаграмме 180 градусов происходит то же самое, но сегмент A-B принудительно поднимается вверх, а C-D — вниз. На диаграммах под углом 90 и 270 градусов щетки не контактируют с источником напряжения, и сила не создается. В этих двух положениях кинетическая энергия вращения двигателя поддерживает его вращение до тех пор, пока щетки не восстановят контакт.