6.3.3. Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока

Коллекторная машина постоянного тока является, по существу, машиной переменного тока, так как в ее перемещающейся относительно поля возбуждения обмотке — обмотке якоря протекает переменный ток. Однако машина имеет специальное устройство — коллектор, позволяющий преобразовывать переменный ток в постоянный.

Рассмотрим работу коллекторной машины постоянного тока на примере простейшего генератора постоянного тока. Она состоит из полюсов магнита (N—S), создающих постоянный магнитный поток. Между ними с линейной скоростью вращается рамка 1—2—3—4 с длиной стороны (рис. 6.24)
	Рис. 6.24

При вращении рамки, например, против направления движения часовой стрелки в каждой ее стороне индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки (рис. 6.24), а величина — формулой (6.1). Поскольку длина рамки и скорость

— величины постоянные, величина ЭДС зависит только от распределения индукции под полюсами, которое близко к синусоидальному. Поэтому изменение ЭДС между точками 1—4 рамки (рис. 6.24) также близко к синусоидальному (рис. 6.25).

Таким образом, если к концам рамки 1 и 4 подключить с помощью скользящих контактов внешнюю нагрузку, в ней потечет переменный ток, имеющий форму ЭДС (рис. 6.25).

Рис. 6.25	Рис. 6.26

Чтобы заставить ток протекать по внешней цепи в каком-нибудь одном направлении, т. е. выпрямить его, используется специальное устройство — коллектор. Концы витка 1—2—3—4 присоединяются к двум изолированным медным сегментам (рис. 6.24). На пластины наложены неподвижные в пространстве щетки А и Б, к которым присоединяется внешняя цепь.

Нужно поставить щетки так, чтобы при вращении якоря каждая из них соприкасалась только с той коллекторной пластиной и тем из проводников рамки, которые находятся под полюсом данной полярности. Так, щетка

А всегда соприкасается только с проводником, находящимся под северным полюсом (рис. 6.24). Следовательно, по внешней цепи ток будет протекать только в одном направлении — от щетки А к щетке Б, т.е. происходит выпрямление наводимой в витке ЭДС и тока в пульсирующие ЭДС на щетках и ток во внешней цепи (рис. 6.26).

Пульсации тока на рис. 6.26 носят резко выраженный характер. Однако эти пульсации сглаживаются, если вместо рамки использовать обмотку, состоящую из большого числа проводников, определенным образом выполненную и соединенную с коллектором. Система подвижных проводников в машине постоянного тока вместе с несущей их механической конструкцией называется якорем.

В режиме двигателя к щеткам подводится постоянный ток, который коллектором преобразуется в переменный ток обмотки якоря. Этот ток, взаимодействуя с полем возбуждения, создает электромагнитный момент, приводящий якорь в движение и совершающий максимальную работу.

Скорость перемещения проводников обмотки якоря относительно неподвижного поля возбуждения основных полюсов определяется частотой вращения якоря (об/мин). Поэтому ЭДС обмотки якоря

, где — конструктивный коэффициент, зависящий от геометрии и параметров машины и ее обмотки якоря; — магнитный поток.

Исходя из рассматриваемого принципа действия, машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части — статора, предназначенной в основном для создания магнитного потока, и вращающейся части — якоря, в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или обратно — электрической энергии в механическую (электродвигатель).

Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.

Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из основных полюсов, предназначенных для создания основного магнитного потока; добавочных полюсов, устанавливаемых между основным и служащих для достижения безыскровой работы щеток на коллекторе.

Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сердечника якоря, уложенной на нем обмотки, коллектора и щеточного аппарата.

Классификация машин постоянного тока

Машины постоянного тока (двигатели и генераторы) различают по способу включения обмоток главных полюсов или возбуждения в сеть (рис. 5.3):

• машины постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 5.3, а), электрическая цепь обмотки возбуждения является независимой от силовой цепи ротора; для генераторов это практический единственный вариант схемного решения;

• машины постоянного тока с параллельным возбуждением (рис. 5.3, б), обмотка возбуждения включается параллельно с цепью якоря;

• машины постоянного тока с последовательным возбуждением (рис. 5.3, в) обмотка статора включается последовательно с обмоткой ротора, что обуславливает зависимость магнитного потока от тока якоря; на практике такой способ возбуждения используются редко;

• машины постоянного тока со смешанным возбуждением (рис. 5.3, г), присутствуют две обмотки возбуждения: параллельно и последовательно включенные с цепью якоря.

На рисунках сплошные стрелки показывают направления токов в режиме генератора, штриховые — в режиме двигателя.

Рис. 5.3

Принцип работы двигателя постоянного тока

Принцип действия двигателя параллельного возбуждения рассмотрим по схеме (рис. 5.4), где

N, S – главные полюса,

Ф – основной магнитный поток,

Ф_п – поперечный магнитный поток двигателя,

I_я – ток якорной цепи, I_в – ток возбуждения,

F – электромагнитные силы,

М_э – электромагнитный вращающий момент,

М_с – момент сопротивления приводного механизма,

ω – угловая частота вращения якоря,

U – напряжение источника питания двигателя,

Е

– противо-ЭДС обмотки якоря.

Рис. 5.4

К цепи обмотки возбуждения и якорной цепи подведено напряжение U от одного источника постоянного тока.

Под воздействием этого напряжения в обмотке возбуждения проходит ток I_в, создающий постоянную намагничивающую силу I_вw_в, которая возбуждает неподвижный в пространстве основной магнитный поток Ф, направление которого зависит от направления тока в обмотке возбуждения. Направление магнитного потока определяется правилом правоходового винта: вращательное движение винта направляют по току в обмотке возбуждения, тогда поступательное движение винта покажет направление магнитного потока. Полярность главных полюсов N, S зависит от направления магнитного потока..

В якорной цепи двигателя проходит ток I_я. Щетками, прижимаемыми к коллектору, обмотка якоря делится на параллельные ветви. Число пар щеток (+, – ) равно числу пар главных полюсов p.

Секция обмотки якоря укладывается в пазы сердечника якоря таким образом, чтобы ее активные проводники находились под разноименными полюсами. Поэтому, если в верхнем активном проводнике, расположенном под северным полюсом (рис. 5.4), ток направлен от переднего торца якоря к заднему (обозначен крестиком), то в нижнем проводнике этой секции, расположенном под южным полюсом, ток направлен в обратную сторону (обозначен точкой). Следовательно, во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление токов одинаково.

На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяются правилом левой руки: левая рука располагается так (рис. 5.5, б), чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца направляются по току в проводнике, тогда большой палец, отогнутый на 90 градусов, покажет направление силы.

При указанном направлении тока в обмотке якоря и полярности полюсов (рис. 5.4) электромагнитные силы F, приложенные к верхним и нижним проводникам, создают электромагнитный момент, который вращает якорь в направлении против движения часовой стрелки со скоростью n, об/мин.

При вращении якоря активные проводники обмотки меняют свое расположение, переходя от одного полюса под другой, проходя через геометрическую нейтраль — линию, проведенную через щетки (рис. 5.4).

В результате воздействия магнитного поля двигателя на все проводники с током возникают электромагнитные силы, которые создают электромагнитный вращающий момент

М_вр, Н·м = C_МI_яФ,

где – конструктивная постоянная машины, зависящая от числа пар полюсовp, числа активных проводников N, числа пар параллельных ветвей а обмотки якоря.

При вращении якоря проводники его обмотки пересекают основной магнитный поток и в них на основании закона электромагнитной индукции индуцируется ЭДС. Ее направление определяется правилом правой руки: правая рука располагается так (рис. 5.5,а), чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, большой палец, отогнутый на 90 градусов, направляется в сторону перемещения проводника, тогда четыре пальца покажут направление ЭДС.

На рис. 5.4 направление ЭДС обозначено точками и крестиками около проводников обмотки якоря. Видно, что направления этих ЭДС противоположно направлению тока в обмотке, поэтому их называют противоЭДС. Величина ЭДС

Е_я = С_ЕnФ,

где — конструктивная постоянная машины.

Ток в проводниках обмотки якоря образует магнитное поле якоря, направление которого определяется правилом правоходового винта. При указанных направлениях тока магнитный поток этого поля Ф_п направлен перпендикулярно основному (продольному) потоку Ф. Поэтому он называется поперечным.

При взаимодействии двух полей результирующее магнитное поле искажается. Под сбегающими краями главных полюсов магнитные потоки направлены встречно и результирующее магнитное поле ослабляется, а под набегающими – усиливаются, так как потоки направлены одинаково.

Для компенсации поперечного магнитного поля применяют дополнительные полюсаN_д, S_д, обмотки которых включены последовательно с обмоткой якоря. Магнитный поток дополнительных полюсов направлен встречно потоку поперечного поля. и пропорциональны ему. Поэтому независимо от режима работы двигателя магнитный поток дополнительных полюсов всегда будет компенсировать магнитный поток поперечного поля.

На рис. 5.6 изображена схема замещения якорной цепи двигателя постоянного тока, где R_Я – сопротивление обмотки якоря.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа:

Тогда уравнение электрического состояния якорной цепи двигателя постоянного тока имеет вид:

Ток якорной обмотки .

В режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки на валу двигателя) якорь вращается с максимальной скоростью n₀. ЭДС Е_я имеет максимальное значение, ток якоря I_я= I_ях незначителен, как видно из формулы. Момент М₀, развиваемый двигателем в режиме холостого хода, равен моменту инерции двигателя.

При увеличении нагрузки на валу скорость двигателя n уменьшается и уменьшается величина противоЭДС Е_я. Тогда увеличиваются ток якорной обмотки и момент развиваемый двигателем М_вр=М₀+М_с, где М_с — момент нагрузки на валу двигателя.

Устройство и принцип действия и применение машин постоянного тока

Назначение. Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники Электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

Принципиальная возможность создания электродвигателя постоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г.; в созданном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.

Двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением был создан в России акад. Б. С. Якоби в 1834 г., который назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для привода гребного винта речного катера. Принцип обратимости электрических машин был также впервые сформулирован русским физиком акад. Э. X. Ленцем. В дальнейшем ряд коллекторных машин постоянного тока был создан Г. Феррарисом, В. Сименсом и др. Значительное развитие теория электрических машин постоянного тока получила в трудах Д. А. Лачинова. В 1880 г. он опубликовал труд «Электромеханическая работа», в котором рассмотрел вопросы, создания вращающего момента электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.

В XX столетии продолжалось развитие теории и совершенствование конструкции машин постоянного тока. Большое внимание обращалось на повышение надежности этих машин путем устранения причин, вызывающих возникновения искрения под щетками (улучшения коммутации) и образования кругового огня на коллекторе.

Важное значение в решении всех теоретических и практических вопросов работы машин постоянного тока имели в трудах советских ученых: А. Е. Алексеева, Д. А. Завалишина, Г. А. Люста, А. Б. Иоффе, В. Т. Касьянова, М. П. Костенко, В. С. Кулебакина, С. И. Курбатова, Л. М. Пиотровского, Е. М. Синельникова, В. А. Толвинского, К. И. Шенфера, венгер-ского электротехника О. В. Бенедикта и др.

В настоящее время в рамках Интерэлектро разработана серия электродвигателей постоянного тока типа ПИ мощностью от 0,25 до 750 кВт, которая выпускается электропромышленностью всех стран — членов СЭВ. Эти двигатели Предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Кроме того, электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.

Рис. 8.1. Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б): 1 — обмотка возбуждения; 2 — главные полюсы; 3 — якорь; 4 — обмотка якоря; 5 — щетки; 6 — корпус (станина)

Принцип действия. Машина постоянного тока (рис. 8.1, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток Iв , который создает магнитное поле возбуждения Фв . На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.

При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер, отображающий направление ЭДС на рис. 8.1, а, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, ЭДС направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 8.1,б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.

При подключении к щеткам сопротивления нагрузки Rн через обмотку якоря проходит постоянный ток Iа , направление которого определяется направлением ЭДС Е. В обмотке якоря ток Iа разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи ia ).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было вначале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

13.1. Общие сведения

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основ­ное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возмож­ности плавного регулирования частоты вращения и получения боль­ших пусковых моментов. По этой причине двигатели постоянного тока широко используются в качестве тяговых двигателей на электри­ческом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности приме­няются в системах автоматического регулирования, где они исполь­зуются не только для привода исполнительных механизмов, но и как датчики частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока находят применение в системах электропитания специального оборудования, например в радиотехни­ческих установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электро­литических ванн и т. д.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока яв­ляется их конструктивная сложность, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию це­пей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надеж­ность машин и ограничивает область их применения. Существенным недостатком применения двигателей постоянного тока является необ­ходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

13.2. Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока в основном состоит из неподвижной части, служащей для возбуждения главного магнитного поля, и вра­щающейся части, в которой индуктируется ЭДС. Токи от этой ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной мо­мент в генераторном режиме и вращающий момент в двигательном.

Неподвижная^— часть состоит из станины (рис. 13.1), на которой укрепляются основные (главные) полюсы для возбуждения главного

магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации (см. § 13.7) в машине.

Главный полюс состоит из сердечника полюса, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и катушки обмотки воз­буждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным нако­нечником для создания требуемого рас­пределения магнитной индукции вдоль окружности якоря.

Станина является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф (рис. 13.2). Она изготовляется из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно по­стоянен. Дополнительные полюсы уста­навливаются на станине между основ­ными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, кото­рые соединяются последовательно с яко­рем.

Якорем называют часть машины, в обмотке которой при вращении ее отно­сительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В маши­не постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали (рис. 13.3, а) толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря (рис. 13.3, б) обычно состоящая из отдельных секций. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 13.4). Щетку 1 к кол­лектору прижимает пружина 2. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются. Траверсакрепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

Рис. 13.3.

Характерной частью электрических машин постоянного тока яв­ляется коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин 1 (рис. 13.5). Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводниками 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вра­щающаяся обмотка соединяется с fjSB* внешней цепью скользящим кон- pNsI тактом между щетками и коллек- ШЯ

Как и все электрические маши- HP ны, машина постоянного тока об- ^^7 ратима. Она работает в режиме _Рис12 генератора, если ее вращает пер­вичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях ЭДС, ин­дуктируемая в обмотке якоря, создает в якоре и приемнике ток.

Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу машины тормозной момент, который преодолевается первич­ным двигателем. Генератор преобразует меха­ническую энергию в электрическую.

Рис. 13.5.

В двигательном режиме цепи якоря и воз­буждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу ма­шины. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Таким образом, одна и та же машина мо­жет быть использована в качестве генератора или двигателя. Важнейшим классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля. Одним из них является использование постоянных магнитов на полюсах ма­шины. Во многих современных машинах главное магнитное поле воз­буждается с помощью электромагнитов. Для этого используется об­мотка возбуждения с током возбуждения, размещенная на сердечниках полюсов машины. Все рабочие характеристики машин постоян­ного тока при работе как в режиме генератора, так и в режиме двига­теля зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть независимы одна от другой, в соответствии с чем принято различать параллельное, последовательное, смешанное и независимое возбуждение машин. Практически весьма ценно то обстоятельство, что мощность цепи возбуждения прилюбом способе включения обмотки возбуждения относительно мала — примерно 5% номинальной мощности у малых машин и менее 1 % — у машин большой мощности. Это делает возможным экономичное управление работой машины по­стоянного тока (напряжением генератора, угловой скоростью враще­ния двигателя).

В машинах о независимым возбуждением обмотка возбуждения подключается к независимому источнику электроэнергии, благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Сечение проводов обмотки возбуждения в этих машинах выбирается в зависимости от напряжения источника тока возбуждения. Характерным для этих машин является независимость главного магнитного по­тока от нагрузки машины.

а б

Рис.13.7.

У машин с параллельным возбужде­нием цепь обмотки возбуждения соеди­ няется параллельно с цепью якоря (рис.13.7, а). В этом случае ток возбужде­ния I_в во много раз меньше тока якоря (0,05—0,01), а напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения (r_B = U/I_В) должно быть относительно вели­ко. Обмотка возбуждения машины параллельного возбуждения имеет большое число витков w_nap из тонкого провода и благодаря этому об­ладает значительным сопротивлением. Характерно для машин парал­лельного возбуждения, работающих в системе большой мощности, по­стоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.

У машин с последовательным возбуждением ток якоря I_я равен току обмотки возбуждения (рис. 13.7, б), поэтому она выполняется проводом большого сечения. Значение тока I_я в обмотке последова­тельного возбуждения велико, благодаря чему для получения необхо­димой МДС (I_яw_пос) достаточно, чтобы эта обмотка имела малое число витков w_пос . Следовательно, сопротивление обмотки последовательного возбуждения r_в относительно мало. Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изме­нениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, который является одновременно и током возбуждения.

В машинах со смешанным возбуждением на каждом полюсном сер­дечнике расположены две обмотки (рис. 13.8).

Одна из этих обмоток, подключаемая параллельно якорю, явля­ется основной. Создаваемая ею МДС (I_парw_пар) возбуж­дает главное магнитное поле.

Рис. 13.8.

Вторая обмотка w_noc лишь дополнительно воздей­ствует на это магнитное поле. В зависимости от преоб­ладания МДС, созданных последовательной или парал­лельной обмоткой возбуждения, машина по своим ха­рактеристикам может быть машиной последовательного возбуждения с небольшой параллельной обмоткой воз­буждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения. В большинстве машин смешанного возбуждения применяется согласное соединение, т. е. МДС двух обмоток складываются. Встречное соединение, при котором МДС обмоток име­ют противоположное направление, применяется в немногих специаль­ных случаях.

Принцип действия двигателя постоянного тока и область применения

Постоянство электрического тока не позволяет изменяться параметрам, связанным с величиной и направлением. Принцип действия двигателя постоянного тока базируется именно на таких особенностях электрической цепи и конструктивных характеристиках.

Конструкция двигателя

Двигатели данного типа активно используются в превращении постоянной токовой энергии в механический тип работоспособности.

Такие электрические устройства получили меньшее распространение по сравнению с конструкциями переменного тока, что обусловлено высокой стоимостью оборудования, более сложным строением и возможными проблемами с запитыванием.

Основные конструктивные элементы ДПТ:

• неподвижная часть, представленная статором;
• вращающаяся часть, представленная ротором или якорем.

Устройство двигателей ПТ имеет несколько весьма существенных отличий от конструкций с переменными токовыми величинами:

• стальная станина снабжается катушечной обмоткой возбуждения;
• наличие дополнительных полюсов, улучшающих общие технические характеристики оборудования;
• установка внутреннего якорного элемента, представленного сердечником и коллектором;
• использование для фиксации подшипниковой системы;
• расположение на статоре постоянных магнитов в микродвигателях или электромагнитов с обмоточным возбуждением в виде катушек.

Устройство двигателя постоянного тока

Базовое отличие — наличие коллектора, подсоединяемого к щеткам, что способствует подаче или снятию напряжения с цепи якоря. Особенностью используемого в конструкции щеточно-коллекторного узла, является одновременное выполнение пары функций, включая специфику работы датчика углового роторного положения и переключение тока с контактами скользящего типа.

Электрические двигатели постоянных токовых величин эксплуатируются в форме тяговой конструкции некоторых видов транспорта и устройств исполнительного типа.

Преимущества эксплуатации и недостатки конструкции

Основные достоинства двигателей с постоянными токовыми величинами представлены:

• конструкционной простотой устройства;
• интуитивной доступностью управления;
• почти линейного типа механической и регулировочной характеристиками движка;
• легкостью регулирования показателей вращательной частоты;
• достойными пусковыми характеристиками в виде большого пускового момента;
• наибольшим пусковым моментом с характерным последовательным типом возбуждения;
• относительной компактностью по сравнению с габаритами других видов конструкций;
• возможностью применения в режимах двигателя и генератора.

Принцип устройства электродвигателя постоянного тока

К наиболее значимым недостаткам конструкций могут быть отнесены не всегда доступная цена комплектующих изделий, а также необходимость подсоединения выпрямительных устройств.

Современные модели двигателей ПТ практически полностью лишены некоторых основных конструкционных минусов, включая регулярную профилактику щеточно-коллекторных узлов и быстрый износ коллектора.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Классификация оборудования основана на видовых особенностях магнитной статорной системы, поэтому может иметь в конструкции:

• магниты постоянного типа;
• электромагнитную систему;
• независимого типа обмоточное подключение с независимым вариантом возбуждения;
• последовательного типа обмоточное подключение с последовательным вариантом возбуждения;
• параллельного типа обмоточное подключение с параллельным вариантом возбуждения;
• смешанный вид обмоточного подключения со смешанным вариантом возбуждения и преобладанием обмотки последовательного или параллельного типа.

Принцип действия электродвигателя

Тип обмоточного подключения оказывает значительное влияние на характеристики тяги и базовые электрические свойства электродвигателя.

Конструкция с независимым или параллельным возбуждением

Обмоточный элемент на якорной части и возбуждении при независимом или параллельном типе, запитаны от различных источников, а функция обмотки возлагается, как правило, на постоянный магнит. Отличительная особенность такого движка представлена отсутствием полной зависимости токового возбуждения от якорного тока на оборудовании.

Скоростные параметры двигателя регулируются в таком случае посредством:

• изменения показателей напряжения на якорной части;
• изменения показателей сопротивления в якорной цепи;
• изменения потокового возбуждения.

Принципиальные схемы включения двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

Последний вариант регулировки нуждается в использовании сложного оборудования, но активно применяется в электрических приводах современного типа, что обусловлено плавностью и экономичностью балансирования уровня скорости в широком диапазоне, в условиях высоких параметров жесткости, свойств механического типа.

Популярная разновидность обмоточного возбуждения независимого типа базируется на применении постоянных магнитов.

Конструкция с последовательным возбуждением

Для потока возбуждения данного типа применяется якорный ток машины, а обмоточное возбуждение и якорная часть двигателя имеют последовательное подключение относительно питающего источника. Благодаря развитию значительного электромагнитного момента, который пропорционален квадратным показателям якорного тока, двигателям с параллельным типом возбуждения обеспечиваются оптимальные пусковые характеристики.

Двигатель последовательного возбуждения

Таким образом, конструкция отличается большим пусковым моментом на фоне сравнительно малого якорного тока. Конструкционные особенности позволяют двигателям ПТ с параллельным типом возбуждения активно эксплуатироваться в приводных механизмах грузоподъемного и тягового вида.

Важно учитывать, что работа электрического двигателя ПТ последовательного типа возбуждения «вхолостую» или в условиях минимальной нагрузки становится основной и очень частой причиной быстрого износа конструкции.

Регулировка вращательной скорости двигателя ПТ с параллельным возбуждением может выполняться изменениями показателей напряжения и сопротивления якорной цепи, а также в потоковом возбуждении.

Конструкция со смешанным возбуждением

Для электрического движка ПТ, обладающего смешанным типом возбуждения, или компаундного электродвигателя, присущи основные характеристики параллельного и последовательного возбуждения, что обусловлено наличием пары видов обмоток.

Обмоточные элементы подключаются двояко:

• согласное подключение — в процессе включения в электрическую цепь, все сформированные амперные витки и магнитные потоки складываются;
• встречное подключение — включение обмоток возбуждения сопровождается направлением амперных витков и магнитных потоков друг к другу.

Варианты двигателей

Второй способ обмоточного включения в двигателях ПТ со смешанным типом возбуждения используется в спецмашинах.

Наличие в движке двойной обмотки возбуждения расширяет возможности конструирования и изготовления электрических двигателей, значительно отличающихся по своим свойствам и основным техническим характеристикам.

Область применения

Благодаря конструктивным особенностям и принципу функционирования двигателей ПТ разного типа, такие устройства находят широкое применение и устанавливаются:

• в крановом оборудовании на тяжелом производстве;
• в приводных устройствах, нуждающихся в широком регулировании уровня скорости при наличии высокого пускового момента;
• в тяговых электрических двигателях, эксплуатируемых в тепловозах и электровозах, теплоходах и тяжелых самосвалах;
• в электрических стартерах автомобильной и уборочной автоматизированной техники.

Компактные низковольтные электрические двигатели ПТ активно используются в разнообразных устройствах и изделиях, включая игрушки, компьютерную и оргтехнику, а также аккумуляторный инструмент.

Электродвигатели постоянного тока разного вида характеризуются особыми естественными и искусственными механическими свойствами, что обусловлено электрической мощностью, идущей на преобразование и поступающей через якорную цепь. Именно такое устройство позволяет применять движки ПТ в регулируемых приводах разнообразных современных механизмов и достаточно сложных станков.

Видео на тему