Поясните принцип действия двигателя постоянного тока



Принцип действия двигателя постоянного тока

Устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может использоваться как двигатель или генератор, так как конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) аналогична конструкции генератора. Особенностью ДПТ является механический инвертор (коммутатор). Этот коммутатор имеет скользящие контакты в виде щёток, которые расположены так, что они изменяют полярность обмоток якоря (катушек) во время вращательного движения.

• Особенности и устройство ДПТ
  • История изобретения
  • Конструкция двигателя
• Принцип действия и использование
  • Настройка скорости
  • Современное применение

Особенности и устройство ДПТ

ДПТ представляет собой вращающуюся электрическую машину, работающую от постоянного тока. В зависимости от направления потока мощности проводится различие между двигателем (электродвигатель с электрической и механической мощностью) и генератором (электрический генератор, на который подаётся механическая мощность, а также электроэнергия). ДПТ могут запускаться под нагрузкой, их скорость легко изменить. В режиме генератора ДПТ преобразует напряжение переменного тока, подаваемое ротором, в пульсирующее постоянное напряжение.

История изобретения

Основываясь на развитии первых гальванических элементов в первой половине XIX века, первыми электромеханическими преобразователями энергии были машины постоянного тока. Первоначальная форма электродвигателя была разработана в 1829 году, а в 1832 году француз Ипполит Пиксии построил первый генератор. Антонио Пачинотти построил в 1860 году электродвигатель постоянного тока с многокомпонентным коммутатором. Фридрих фон Хефнер-Алтенек разработал барабанный якорь в 1872 году, который открыл возможность промышленного использования в области крупномасштабного машиностроения.

В последующие десятилетия такие машины из-за развития трехфазного переменного тока потеряли свою значимость в крупномасштабном машиностроении. Синхронные машины и системы с низким уровнем обслуживания асинхронного двигателя заменили их во многих устройствах.

Конструкция двигателя

Чтобы понять принцип действия ДПТ, нужно сначала изучить его конструктивные особенности, одной из которых является то, что в магнитном поле постоянного магнита установлен вращающийся проводящий контур.

Упрощая эту структуру, можно сказать, что двигатель состоит из двух основных компонентов:

1. Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
2. Проводящая петля (арматура) на сердечнике якоря, обычно состоящая из слоистых металлических листов.

Обе конструкции называются двигателями постоянного тока с внешним возбуждением. Электродинамический закон указывает, что токопроводящая петля проводника в магнитном поле представляет собой силу [F], зависящую от тока [I] и напряжённости магнитного поля [B]. Токопроводящий проводник окружен круговым магнитным полем. Если объединить магнитное поле магнитного поля с магнитным полем проводящей петли, можно обнаружить суперпозицию двух полей, а также результирующий силовой эффект.

Обмотка якоря состоит из двух половин катушки. Если применить напряжение постоянного тока к двум концам обмотки якоря, можно представить, что движущиеся носители заряда поступают в нижнюю половину катушки из верхней половины катушки.

Каждая токопроводящая катушка развивает собственное магнитное поле, и магнитное поле постоянного магнита накладывается на магнитное поле нижней половины катушки и поле верхней половины катушки. Линии поля постоянного магнитного поля всегда одного направления, они всегда показывают с севера на южный полюс. Напротив, поля двух половин катушки имеют противоположные направления.

В левой части поля половины катушки полевые линии поля возбудителя и поля катушки имеют одно и то же направление. Благодаря этому силовому эффекту в противоположном направлении на нижнем и верхнем концах арматуры создаётся крутящий момент, который вызывает вращательное движение якоря.

Якорь представляет собой так называемый двутавровый якорь. Эта конструкция получила название из-за своей формы, которая напоминает два составных «Т». Катушки якоря соединены с платами коммутатора (коллектора). Подача тока в обмотке якоря обычно осуществляется через угольные щётки, которые обеспечивают скользящий контакт с вращающимся коммутатором и подают катушкам электричество. Щётки изготавливаются из самосмазывающихся графитов, частично смешанных с медным порошком для небольших двигателей.

Принцип действия и использование

Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое — электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.

Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.

Настройка скорости

ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:

1. Напряжение якоря U_A (управление напряжением).
2. Основной поток поля (полевое управление), сила магнитного поля.
3. Анкерное сопротивление.

Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.

В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.

Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

1. игрушках;
2. сервомеханических устройствах;
3. приводах клапанов;
4. роботах;
5. автомобильной электронике.

Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.

Порошин Андрей

Источник

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

• с независимым возбуждением обмоток;
• соединение параллельно обмоткам якоря;
• варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
• смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками Рисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

• бытовые и промышленные электроинструменты;
• автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
• трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

• Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
• Легко регулируемая частота вращения;
• хорошие пусковые характеристики;
• компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

• ограниченный ресурс коллектора и щёток;
• дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
• ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
• дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Видео в дополнение к написанному

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Как работает двигатель постоянного тока ?

masterok August 4th, 2013

Дорогие мои читатели, начинаем разбирать темы августовского стола заказов (боже мой, как быстро летит время!). Сегодняшняя тема может быть мало кого заинтересует, зато если кого заинтересует, так это будет очень в пользу им. Слушаем trudnopisaka: Напишите пожалуйста понятно о устройстве электродвигателей постоянного тока. Можно на примере одного из типов. Ведь с одной стороны принцип работы очень простой, а с другой, если разобрать один из электродвигателей, то там много деталей, назначение которых не очевидно. А на сайтах в начале поисковой выдачи есть только название этих деталей, в лучшем случае. Планирую с детьми собрать простой электродвигатель, чтобы это помогло им в понимании техники и они не боялись ее осваивать.

Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.

Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. 13 сентября 1838 г. лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения со скоростью около 3 км/ч. Лодка была снабжена колесами с лопастями. Колеса приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 гальванических элементов. Так впервые электрический двигатель появился на судне.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

• расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
• электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
• этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта).

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором.

Индуктор (статор) электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах — специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянноготока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусомэлектродвигателя.

Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка дегтя во всей этой вкусняшке — коллектор.

Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.

Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины.

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса.

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось.

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов. При больших токах, в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего, искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.Конструкция двигателя может иметь один или несколько щеточно-коллекторных узлов.

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.

А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку — гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.

И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история. ВОТ ТУТ можно прочитать про него подробнее.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.

А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

В настоящее время двигатели постоянного тока независимого возбуждения, управляемые тиристорными преобразователями, используются в промышленных электроприводах.’Эти при­воды обеспечивают регулирование скорости в широком диапазо­не. Регулирование скорости вниз от номинальной осуществляется изменением напряжения на якоре, а вверх — ослаблением потока возбуждения. Ограничения, по мощности и скорости обусловлены свойствами используемых двигателей, а не полупроводниковых приборов. Тиристоры могут соединяться последовательно или па­раллельно, если они имеют недостаточно высокий. класс по напря­жению или току. Ток якоря и момент ограничены перегрузочной способностью двигателя по нагреву.

Принцип работы:

Сборка двигателя постоянного тока ПО ДЕТАЛЯМ:

Источник

Принцип действия двигателей постоянного тока

Принцип действия двигателей постоянного тока основан на явлении выталкивания проводника с током из магнитного поля полюсов. При подаче напряжения на обмотку возбуждения(1) и обмотку якоря(2) двигателя, обмотка возбуждения создает основной магнитный поток (Ф)в котором будут находится проводники с током обмотки якоря. При этом на проводники с током обмотки якоря действуют выталкивающие силы, определяемые по правилу левой руки. Эти силы создают вращающие моменты витков, они направлены в одну сторону, поэтому складываются и образуют общий вращающий момент М_вр двигателя

С_м – конструктивная постоянная машины, зависит от количества активных сторон или проводников обмотки якоря N, диаметра якоря D_я и от числа пар полюсов Р.

Ф_о – основной магнитный поток, созданный полюсами машины.

Под действием вращающего момента якорь двигателя начинает вращаться, при этом на его вал будут действовать силы сопротивления: трение о воздух, трение в подшипниках, сопротивление от рабочего механизма. Эти силы создают момент сопротивления Мс, направленный встречно вращающему моменту.

Существует 3 режима работы двигателя:

1. М_вр > М_с, тогда частота вращения якоря n – увеличивается.
2. М_вр

Дата добавления: 2015-12-22 ; просмотров: 2481 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Двигатели постоянного тока — MirMarine

Двигателями постоянного тока называются электрические машины постоянного тока, преобразующие электрическую энергию в механическую.

В двигателе магнитные поля создаются полюсами обмотки возбуждения и обмоткой якоря, по которым пропускается ток. При пропускании через них постоянного тока, якорь машины придет во вращение. Направление вращения якоря определяется правилом левой руки. При этом, если изменить направление тока в якоре или в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя также изменится.

При работе электродвигателя его якорь с обмоткой, вращаясь в магнитном поле, создаваемом магнитами полюсов, пересекает силовые магнитные линии магнитного потока полюсов и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке якоря индуктируется э. д. с. Направление этой э. д. с. обратно направлению тока, текущего в обмотке якоря (определяется по правилу правой руки), ввиду чего она называется обратной э. д. с. или противоэлектродвижущей силой (п. э. д. с.).

Необходимо заметить, что во время пуска двигателя противоэлектродвижущая сила будет равна нулю и ток якоря может достигнуть недопустимо большого значения, так как сопротивление обмотки якоря незначительно. Поэтому в момент пуска в цепь якоря последовательно вводят дополнительное сопротивление—пусковой реостат, выполняющий роль дополнительного сопротивления при пуске во избежание разрушения обмотки якоря. С началом вращения якоря нарастает п. э. д. с., снижающая величину тока в якоре, поэтому по мере раскручивания двигателя (с увеличением числа оборотов двигателя), сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают и совсем выключают, как только двигатель разовьет номинальное число оборотов, так как в этом случае обмотка якоря перегрузки испытывать не будет.

Электродвигатели постоянного тока, так же как и генераторы, в зависимости от способа включения обмоток возбуждения и якоря подразделяются на двигатели:

• с независимым возбуждением;
• с последовательным возбуждением или сериесные;
• с параллельным возбуждением или шунтовые;
• смешанного возбуждения или компаундные;

На судах морского флота электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения с легкой параллельной обмоткой применяются для привода в действие палубных механизмов (брашпилей, шпилей, лебедок, кранов), где требуется большой вращающий момент при пуске. Электродвигатели постоянного тока параллельного возбуждения применяются для привода механизмов, у которых необходимо иметь постоянное число оборотов независимо от их нагрузки и у которых не требуется наличие большого пускового момента (вспомогательные механизмы и насосы, обслуживающие главные двигатели и судовые системы, станки и т. д.).

Электродвигатели постоянного тока смешанного возбуждения применяются для привода в движение механизмов, требующих большого пускового момента и сохранения постоянного числа оборотов, а также имеющих значительный маховой момент (палубные механизмы, рулевые приводы, валоповоротные устройства и др.).

Наиболее широкое распространение эти двигатели получили за свои положительные качества, к которым можно отнести:

• большой пусковой момент;
• способность выносить значительную перегрузку;
• допустимость регулировки числа оборотов в широких пределах;
• сохранение постоянного числа оборотов при изменяющейся нагрузке.

По конструктивному выполнению электродвигатели делятся на электродвигатели с горизонтальным валом и электродвигатели с вертикальным валом.

По типу защиты от воздействия внешней среды электродвигатели бывают такие же, как и генераторы:

• открытые;
• защищенные;
• брызгозащищенные;
• водозащищенные;
• герметические;
• взрывобезопасные;

Процессы управления электродвигателями постоянного тока сводятся в основном к выполнению следующих операций:

• пуску в ход электродвигателя;
• остановке;
• торможению;
• реверсированию и регулированию скорости вращения электродвигателя

Эти операции могут быть выполнены вручную, автоматически или полуавтоматически при помощи соответствующей аппаратуры управления (пусковые и регулировочные реостаты, электрические и механические тормозные устройства и др.).

Пусковые реостаты устанавливают для ограничения силы пускового тока. Число оборотов электродвигателя регулируют изменением напряжения на зажимах якоря или изменением магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения (т. е. изменением силы тока возбуждения электродвигателя при помощи регулировочного реостата). Для быстрой остановки электродвигателей необходимо применять торможение. Торможение электродвигателей постоянного тока может быть механическим и электрическим.

Механическое торможение осуществляется при помощи колодочных, ленточных и дисковых тормозов.

Электрическое торможение может быть произведено или в виде полезного торможения, при котором двигатель обращается в генератор и возвращает электрическую энергию в сеть, или же в виде реостатного торможения, при котором электрическая энергия превращается в тепловую, выделяющуюся в реостате.

Изменить направление вращения электродвигателя постоянного тока можно двумя способами: изменением направления тока в полюсных обмотках возбуждения, оставив направление тока в обмотке якоря без изменения; изменением направления тока в обмотке якоря, оставив без изменения направление тока в полюсных обмотках возбуждения. Если одновременно изменить направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя не изменится.

Похожие статьи

Бесконтактные двигатели постоянного тока (Лекция 11)

5. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока обычного исполнения имеют ценное качество-возможность широко и плавно регулировать скорость вращения. Вместе с тем они обладают существенным недостатком, обусловленным щеточно-коллекторным узлом. Вполне естественно, что появилась мысль создать двигатели, обладающие достоинствами двигателей постоянного тока и свободные от их недостатков. Такие двигатели называются бесконтактными двигателями постоянного тока.

Рис.5.1. Структурная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов (рис. 5.1):

1) бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;

2) датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора;

3) коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов в обмотках статора.

Принцип действия бесконтактного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 5.2). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, ДПР с одним сигнальным элементом (СЭ) и тремя чувствительными элементами (ЧЭ) (их число равно числу обмоток статора), коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме «закрыт» или «открыт».

Рис. 5.2. Упрощенная принципиальная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

В положении, показанном на рис.5.2, сигнальный элемент через чувствительный элемент «А» открывает транзистор Т_А. По обмотке А протекает ток I_А. Намагничивающая сила обмотки F_А взаимодействует с потоком постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во вращение (1-й такт на рис. 5.3). Вместе с ротором поворачивается и СЭ ДПР. При повороте ротора на угол чуть больший 30° СЭ будет воздействовать сразу на два ЧЭ: на «А» и на «В». Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: Т

А и Т_В. Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая НС статора F_АВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рис. 5.3).

Рис. 5.3. Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоянного тока

Эта НС продолжает взаимодействоватьс полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать вращающий момент.

Когда угол поворота станет чуть больше 90°, транзистор Т

А закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет взаимодействовать только с НС этой обмотки, однако вращающий момент по прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же направлении (3-й такт на рис. 5.3). В конечном итоге двигатель разовьет такую скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки.

Если бы бесконтактный двигатель имел обмоток, чувствительных элементов и транзисторов столько же, сколько обычный двигатель имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в реальных двигателях число обмоток, а соответственно, и число чувствительных элементов и транзисторов не превышает 3-4.

Малое число обмоток обусловливает ряд особенностей работы бесконтактного двигателя постоянного тока.

1. Пульсация вращающего момента — возникает вследствие скачкообразного перемещения НС статора (см. положения 1,2,3 рис. 5.3). В соответствии с общими законами электромеханического преобразования энергии момент бесконтактного двигателя может быть определен как скалярное произведение магнитного потока ротора и НС взаимодействующих обмоток статора

(5.1)

где: с_м — постоянный коэффициент; q — угол между потоком ротора и НС статора.

Так как при вращении двигателя угол q непрерывно меняется, то и момент двигателя не остается постоянным.

2. Реакция якоря периодически изменяется, становясь то поперечной, то продольно намагничивающей, то продольно размагничивающей (рис. 5.4). Объясняется это опять-таки скачкообразным перемещением НС статора (якоря). Размагничивающее действие поля статора особенно сильно при пуске двигателя, т.к. при этом противо-ЭДС равна 0, а ток — наибольший. С этим необходимо считаться при выборе постоянных магнитов, стабилизация которых происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 5.4. Реакция якоря в бесконтактном двигателе постоянного тока

3. Пульсация токов в обмотках статора и суммарного тока двигателя объясняется дискретным питанием обмоток (в тот момент, когда открыты два транзистора, потребляемый ток вырастает в два раза по сравнению с режимом, когда открыт только один транзистор).

4. Влияние индуктивности обмоток статора.В обычном двигателе секции якоря маловитковые, поскольку общее число витков якоря делится на большое число секций. Индуктивность таких секций сравнительно небольшая. В бесконтактном двигателе общее число витков якоря разбивается на 3-4 обмотки (секции). В результате секции получаются многовитковыми, а, следовательно, обладающими большой индуктивностью т.к. L~W²

С учетом ряда допущений уравнение напряжения для якоря можно записать в виде

(5.2)

Решая его относительно тока, получим

(5.3)

где Т = L/r — электромагнитная постоянная времени.

Выражение перед круглой скобкой есть ток якоря при отсутствии индуктивности. Тогда

(5.4)

При больших скоростях, когда время коммутации невелико, ток в обмотках не успевает достигать установившегося значения. Его эффективное значение становится меньше, чем при L = 0

Вращающий момент прямо пропорционален току якоря, поэтому

(5.5)

или

(5.6)

Анализ выражения (5.6) показывает, что момент имеет две составляющие. Первую — не зависящую от времени. Она равна моменту при отсутствии индуктивности. Вторую — переменную. Она появляется из-за индуктивности обмоток. Эта составляющая при всех скоростях имеет отрицательное значение (U > E). Поэтому можно утверждать, что, как и ток, вращающий момент бесконтактного двигателя меньше, чем вращающий момент обычного коллекторного двигателя.

Подставим значение ЭДС Е = с_еnФ в формулу (5.6), получим механическую характеристику бесконтактного двигателя

(5.7)

Выразим эту характеристику в относительных единицах, приняв за базисный момент пусковой момент (n = 0, U = Uном), а за базисную скорость — скорость холостого хода (М = 0, U = Uном ). Время t = ¥

Рис. 5.6. Механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока при разных значения α и L: L2 > L1 > 0

Разделим обе части уравнения (5.7) на Мп:

(5.8)

Обозначим a = U/U_ном. С учетом n₀ = U/(с_еФ) получим

(5.9)

где n = n/n₀ - относительная скорость двигателя.

На рис. 5.6 показаны механические характеристики бесконтактного двигателя при разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L нелинейность характеристик увеличивается.

Частоту вращения бесконтактных двигателей можно регулировать в широких пределах путем изменения напряжения питания.

Однако на практике чаше применяется импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя номинальным напряжением.

§ 5.1. Датчики положения ротора

Датчики положения ротора определяются их чувствительными элементами, которые могут быть построены с использованием ЭДС Холла, фотоэффекта и т.д.

Рис. 5.7. Датчик положения ротора трансформаторного типа

Достаточно широкое распространение получили датчики электромагнитного – трансформаторного типа. На рис. 5.7. показан один из них.

Чувствительными элементами датчика являются три трансформатора (Тр₁, Тр₂, Тр₃), сдвинутыми в пространстве на 120 эл. град. Сердечники трансформаторов выполняются из быстронасыщающихся материалов – феррита, пермалоя и тр. Первичные обмотки трансформаторов (I) питаются напряжением высокой частоты (порядка нескольких килогерц) от маломощного источника. Вторичные обмотки через диоды включаются в базы соответствующих транзисторов.

Ротор датчика состоит из постоянного магнита 1, полюсного наконечника 2, выполненного из магнитомягкого материала, и немагнитного полуцилиндра 3.

Элементам конструкции датчика придаются такие формы и они располагаются так, чтобы сердечники трансформаторов, перекрытые полюсным наконечником 2, были насыщенными. В этом случае ЭДС вторичных обмоток трансформаторов (II) практически равны нулю и сигналы на базы транзисторов не поступают. Управляющие сигналы поступают только от тех трансформаторов, сердечники которых не насыщены.

Вопросы: 1) Нарисуйте диаграмму НС обмоток статора (подобную положениям 1,2,3 на рис. 5.3) при условии, что дуга чувствительного элемента не 180° , а 120° .

2) Чему равна величина суммарного тока, потребляемого двигателем из сети, при различных углах поворота ротора и дуге ЧЭ в 120° ?

Далее…

принцип действия. Двигатель постоянного тока: устройство

Первой из всех изобретенных в 19 веке вращающихся электромашин является двигатель постоянного тока. Принцип действия его известен с середины прошлого столетия, и до настоящего времени двигатели постоянного тока (ДПТ) продолжают верно служить человеку, приводя в движение множество полезных машин и механизмов.

Первые ДПТ

Начиная с 30-х годов 19 века в своем развитии они прошли несколько этапов. Дело в том, что до появления в конце позапрошлого века машинных генераторов переменного тока единственным источником электроэнергии был гальванический элемент. Поэтому все первые электродвигатели могли работать только на постоянном токе.

Каким же был первый двигатель постоянного тока? Принцип действия и устройство двигателей, строившихся в первой половине 19 века, являлся следующим. Явнополюсный индуктор представлял собой набор неподвижных постоянных магнитов или стержневых электромагнитов, не имевших общего замкнутого магнитопровода. Явнополюсный якорь образовывали несколько отдельных стержневых электромагнитов на общей оси, приводимых во вращение силами отталкивания и притяжения к полюсам индуктора. Типичными их представителями являлись двигатели У. Риччи (1833) и Б. Якоби (1834), оснащенные механическими коммутаторами тока в электромагнитах якорях с подвижными контактами в цепи обмотки якоря.

Как работал двигатель Якоби

Каков же был у этой машины принцип действия? Двигатель постоянного тока Якоби и его аналоги обладали пульсирующим электромагнитным моментом. В течение времени сближения разноименных полюсов якоря и индуктора под действием магнитной силы притяжения момент двигателя быстро достигал максимума. Затем, при расположении полюсов якоря напротив полюсов индуктора, механический коммутатор прерывал ток в электромагнитах якоря. Момент падал до нуля. За счет инерции якоря и приводимого в движение механизма полюсы якоря выходили из-под полюсов индуктора, в этот момент в них от коммутатора подавался ток противоположного направления, их полярность также менялась на противоположную, а сила притяжения к ближайшему полюсу индуктора сменялась на силу отталкивания. Таким образом, двигатель Якоби вращался последовательными толчками.

Появляется кольцевой якорь

В стержневых электромагнитах якоря двигателя Якоби ток периодически выключался, создаваемое ими магнитное поле исчезало, а его энергия преобразовывалась в тепловые потери в обмотках. Таким образом, электромеханическое преобразование электроэнергии источника тока якоря (гальванического элемента) в механическую происходило в нем с перерывами. Нужен был двигатель с непрерывной замкнутой обмоткой, ток в которой протекал бы постоянно в течение всего времени его работы.

И такой fuhtufn был создан в 1860 году А. Пачинотти. Чем же отличался от предшественников его двигатель постоянного тока? Принцип действия и устройство двигателя Пачинотти следующие. В качестве якоря он использовал стальное кольцо со спицами, закрепленное на вертикальном валу. При этом якорь не имел явно выраженных полюсов. Он стал неявнополюсным.

Между спицами кольца были намотаны катушки обмотки якоря, концы которых соединялись последовательно на самом якоре, а от точек соединения каждых двух катушек были сделаны отпайки, присоединенные к пластинам коллектора, расположенным вдоль окружности внизу вала двигателя, число которых равнялось числу катушек. Вся обмотка якоря была замкнута сама на себя, а последовательные точки соединения ее катушек присоединялись к соседним пластинам коллектора, по которым скользила пара токоподводящих роликов.

Кольцевой якорь был помещен между полюсами двух неподвижных электромагнитов индуктора-статора, так что силовые линии создаваемого ими магнитного поля возбуждения входили в наружную цилиндрическую поверхность якоря двигателя под северным полюсом возбуждения, проходили по кольцевому якорю, не перемещаясь во внутреннее его отверстие, и выходили наружу под южным полюсом.

Как работал двигатель Пачинотти

Какой же у него был принцип действия? Двигатель постоянного тока Пачинотти работал точно так же, как и современные ДПТ.

В магнитном поле полюса индуктора с данной полярностью всегда находилось определенное число проводников обмотки якоря с током неизменного направления, причем направление тока якоря под разными полюсами индуктора было противоположным. Это достигалось размещением токоподводящих роликов, играющих роль щеток, в пространстве между полюсами индуктора. Поэтому мгновенный ток якоря втекал в обмотку через ролик, пластину коллектора и присоединенную к ней отпайку, которая также находилась в пространстве между полюсами, далее протекал в противоположных направлениях по двум полуобмоткам-ветвям, и наконец вытекал через отпайку, пластину коллектора и ролик в другом межполюсном промежутке. При этом сами катушки якоря под полюсами индуктора менялись, но направление тока в них оставалось неизменным.

По закону Ампера, на каждый проводник катушки якоря с током, находящийся в магнитном поле полюса индуктора, действовала сила, направление которой определяется по известному правилу «левой руки». Относительно оси двигателя эта сила создавала вращающий момент, а сумма моментов от всех таких сил дает суммарный момент ДПТ, который уже при нескольких пластинах коллектора является почти постоянным.

ДПТ с кольцевым якорем и граммовской обмоткой

Как это часто случалось в истории науки и техники, изобретение А. Пачинотти не нашло применения. Оно было на 10 лет забыто, пока в 1870 году его независимо не повторил франко-немецкий изобретатель З. Грамм в аналогичной конструкции генератора постоянного тока. В этих машинах ось вращения уже была горизонтальной, использовались угольные щетки, скользящие по пластинам коллектора почти современной конструкции. К 70-м годам 19 века принцип обратимости электромашин стал уже хорошо известен, а машина Грамма использовалась как генератор и двигатель постоянного тока. Принцип действия его уже описан выше.

Несмотря на то, что изобретение кольцевого якоря было важным шагом в развитии ДПТ, его обмотка (названная граммовской) имела существенный недостаток. В магнитном поле полюсов индуктора находились только те ее проводники (называемые активными), которые лежали под этими полюсами на наружной цилиндрической поверхности якоря. Именно к ним были приложены магнитные силы Ампера, создающие вращающий момент относительно оси двигателя. Те же неактивные проводники, что проходили через отверстие кольцевого якоря, не участвовали в создании момента. Они только бесполезно рассеивали электроэнергию в виде тепловых потерь.

От кольцевого якоря к барабанному

Устранить этот недостаток кольцевого якоря удалось в 1873 году известному немецкому электротехнику Ф. Гефнер-Альтенеку. Как же функционировал его двигатель постоянного тока? Принцип действия, устройство его индуктора-статора такие же, как у двигателя с кольцевой обмоткой. А вот конструкция якоря и его обмотка изменились.

Гефнер-Альтенек обратил внимание, что направление тока якоря, вытекающего из неподвижных щеток, в проводниках граммовской обмотки под соседними полюсами возбуждения всегда противоположно, т.е. их можно включить в состав витков расположенной на наружной цилиндрической поверхности катушки с шириной (шагом), равным полюсному делению (части окружности якоря, приходящейся на один полюс возбуждения).

В этом случае становится ненужным отверстие в кольцевом якоря, и он превращается в сплошной цилиндр (барабан). Такая обмотка и сам якорь получили наименование барабанных. Расход меди в ней при одинаковом числе активных проводников гораздо меньше, чем в граммовской обмотке.

Якорь становится зубчатым

В машинах Грамма и Гефнер-Альтенека поверхность якоря была гладкой, а проводники его обмотки располагались в зазоре между ним и полюсами индуктора. При этом расстояние между вогнутой цилиндрической поверхностью полюса возбуждения и выпуклой поверхностью якоря достигало нескольких миллиметров. Поэтому для создания нужной величины магнитного поля требовалось применять катушки возбуждения с большой магнитодвижущей силой (с большим числом витков). Это существенно увеличивало габариты и вес двигателей. Кроме того, на гладкой поверхности якоря его катушки было трудно крепить. Но как же быть? Ведь для действия на проводник с током силы Ампера он должен находиться в точках пространства с большой величиной магнитного поля (с большой магнитной индукцией).

Оказалось, что это не является необходимым. Американский изобретатель пулемета Х. Максим показал, что если выполнить барабанный якорь зубчатым, а в образовавшиеся между зубцами пазы поместить катушки барабанной обмотки, то зазор между ним и полюсами возбуждения можно уменьшить до долей миллиметра. Это позволило существенно уменьшить размеры катушек возбуждения, но вращающий момент ДПТ нисколько не уменьшился.

Как же функционирует такой двигатель постоянного тока? Принцип действия основан на том обстоятельстве, что при зубчатом якоре магнитная сила приложена не к проводникам в его пазах (магнитное поле в них практически отсутствует), а к самим зубцам. При этом наличие тока в проводнике в пазу имеет решающее значение для возникновения этой силы.

Как избавились от вихревых токов

Еще одно важнейшее усовершенствование внес знаменитый изобретатель Т. Эдиссон. Что же добавил он в двигатель постоянного тока? Принцип действия остался неизменным, а вот материал, из которого сделан его якорь, изменился. Вместо прежнего массивного он стал шихтованным из тонких электрически изолированных друг от друга стальных листов. Это позволило уменьшить величину вихревых токов (токов Фуко) в якоре, что увеличило КПД двигателя.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Кратко его можно сформулировать так: при подключении обмотки якоря возбужденного двигателя к источнику питания в ней возникает большой ток, называемый пусковым и превышающий в несколько раз его номинальное значение. Причем под полюсами возбуждения противоположной полярности направление токов в проводниках обмотки якоря так же противоположно, как показано на рисунке ниже. Согласно правилу «левой руки», на эти проводники действуют силы Ампера, направленные против часовой стрелки и увлекающие якорь во вращение. При этом в проводниках обмотки якоря наводится электродвижущая сила (противо-ЭДС), направленная встречно напряжению источника питания. По мере разгона якоря растет и противо-ЭДС в его обмотке. Соответственно, ток якоря уменьшается от пускового до величины, соответствующей рабочей точке на характеристике двигателя.

Чтобы повысить скорость вращения якоря, нужно либо увеличить ток в его обмотке, либо снизить противо-ЭДС в ней. Последнего можно добиться, уменьшив величину магнитного поля возбуждения путем снижения тока в обмотке возбуждения. Данный способ управления скоростью ДПТ получил широкое распространение.

Принцип действия двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

С присоединением выводов обмотки возбуждения (ОВ) к отдельному источнику электропитания (независимая ОВ) обычно выполняются мощные ДПТ, чтобы было более удобно регулировать величину тока возбуждения (с целью изменения скорости вращения). По своим свойствам ДПТ с независимой ОВ практически аналогичны ДПТ с ОВ, параллельно подключаемой к обмотке якоря.

Параллельное возбуждение ДПТ

Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения определяется его механической характеристикой, т.е. зависимостью скорости вращения от нагрузочного момента на его валу. Для такого двигателя изменение скорости при переходе от холостого вращения к номинальному моменту нагрузки составляет от 2 до 10%. Такие механические характеристики называются жесткими.

Таким образом, принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением обуславливает его применение в приводах с постоянной скоростью вращения при большом диапазоне изменения нагрузки. Однако он широко используется и в регулируемом электроприводе с переменной скоростью вращения. При этом для регулирования его скорости может применяться изменение как тока якоря, так и тока возбуждения.

Последовательное возбуждение ДПТ

Принцип действия двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, как и параллельного, определяется его механической характеристикой, которая в этом случае является мягкой, т.к. частота вращения двигателя значительно варьируется при изменениях нагрузки. Где же выгоднее всего применять такой двигатель постоянного тока? Принцип действия жд тягового двигателя, скорость которого должна уменьшаться при преодолении составом подъемов и возвращаться к номинальной при движении по равнине, полностью соответствует характеристикам ДПТ с ОВ, последовательно соединенной с обмоткой якоря. Поэтому значительная часть электровозов во всем мире оснащена такими устройствами.

Принцип действия двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением реализуют также тяговые двигатели пульсирующего тока, которые представляют собой, по сути, те же ДПТ с последовательной ОВ, но специально сконструированные для работы с выпрямленным уже на борту электровоза током, имеющим значительные пульсации.

Общие сведения о двигателях постоянного тока

Принцип действия (на примере двигателя параллельного возбуждения).  Если к двигателю подведено напряжение U, то по цепи возбуждения протекает ток I_в, а по цепи якоря – ток I_я. Ток возбуждения создает МДС F_в = I_в W_в, которая возбуждает в машине магнитный поток Ф_в. Ток якоря, в свою очередь, создает магнитный поток реакции якоря Ф_я. Результирующий магнитный поток Ф_рез = Ф_в +  Ф_я.

Рис.1.23                                                                Рис. 1.24

В цепи якоря ток  I_я создает падение напряжения R_я I_я. В соответствии с законом электромагнитной силы ЭМС при взаимодействии тока I_я и магнитного потока Ф_рез создается вращающий момент М_вр. В  установившемся режиме М_вр. = М_пр. Когда проводники якоря пересекают магнитное поле Ф_рез, в них в соответствии с законом электромагнитной индукции ЭМИ наводится ЭДС, которая направлена против напряжения сети U.

Классификация двигателей. По схеме включения обмоток возбуждения главных полюсов двигатели постоянного тока делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного  и  смешанного возбуждения.

В двигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного напряжения. В двигателях параллельного возбуждения обмотка возбуждения и обмотка якоря включены параллельно и питаются от одного источника. В двигателях последовательного и смешанного возбуждения есть обмотка возбуждения, включенная  последовательно с обмоткой якоря. В двигателях малой мощности  поток возбуждения может быть создан с помощью постоянных магнитов. Наибольшее применение находят двигатели параллельного и смешанного возбуждения.

Основные уравнения и величины, характеризующие двигатели. Такими величинами являются: механическая мощность на валу Р_2, питающее напряжение U, ток, потребляемый из сети I, ток якоря I_я, ток возбуждения I_в, частота вращения n, электромагнитный момент М_эм. Зависимость между этими величинами  описывается:

Ø  уравнением электромагнитного момента:

М_эм = С_м I_я Ф;

Ø  уравнением электрического состояния цепи якоря:

U = Е_пр +  R_я I_я;                                           (1.4)

Е_пр = С_EnФ;

Ø  уравнением моментов:

М_эм = М_с + М_пот + М_д,

где М_с – момент сопротивления на валу, создаваемый нагрузкой; М_пот – момент потерь, создаваемый всеми видами потерь в двигателе; М_д – динамический момент, создаваемый инерционными силами;

Характеристики двигателей. Важнейшей из характеристик является механическая n (М_с) – зависимость частоты вращения n от момента на валу (далее индекс «с» опускается) при U = const, I_в = const. Она показывает влияние механической нагрузки (момента) на валу двигателя на частоту вращения, что особенно важно знать при выборе и эксплуатации двигателей. Другие характеристики двигателей: регулировочная n (I_в), скоростная n (I_я), рабочие М, Р_1, n , I, h(Р₂) – здесь подробно не рассматриваются.

Механические характеристики могут быть естественными и искусственными. Под естественными характеристиками понимаются характеристики, снятые при отсутствии в схеме каких-либо дополнительных сопротивлений, например, реостатов в цепях якоря или возбуждения,  искусственными_{– при наличии таких сопротивлений.}

Уравнение механической характеристики двигателя. Оно может быть получено из (1.1). Подставим вместо Е ее значение в (1.4), тогда

n = (U – R_я I_я)/С_ЕФ.                                      (1.5)

Заменяя I_я его значением из (1.2), получаем уравнение механической характеристики:

n = (1.6)

Вид механической характеристики определяется характером зависимости потока отнагрузки двигателя, что в свою очередь зависит от схемы включения обмотки возбуждения.

Реверсирование двигателя. Под реверсированием двигателя понимают изменение направления вращения  его якоря. Возможные способы реверсирования вытекают из соотношения (1.2). Если изменить направление тока якоря или потока машины, то знак, а следовательно, и направление вращающего момента изменяется. Практически это достигается переключением выводов или обмотки якоря, или обмотки возбуждения. Однако одновременное переключение выводов обеих обмоток или изменение полярности питающего двигатель напряжения (кроме двигателя независимого возбуждения) к изменению знака вращающего момента и, следовательно, к изменению направления вращения не приводит.

Пуск в ход двигателей постоянного тока. К пуску двигателей предъявляются два основных требования: обеспечить необходимый для трогания с места и разгона якоря вращающий момент и не допустить при пуске протекания через якорь чрезмерно большого тока, опасного для двигателя. Практически возможны три способа пуска: прямой пуск, пуск при включении реостата в цепь якоря и пуск при пониженном напряжении в цепи якоря.

При прямом пуске цепь якоря включается сразу на полное напряжение. Так как в первый момент пуска якорь неподвижен (n = 0), то противо-ЭДС отсутствует            (Е_пр = С_Е nФ). Тогда из (1.4) следует, что пусковой ток якоря I_я,п = U/R_я.

Так как R_я = 0,02 ¸ 1,10 Ом, то I_я,п = (50 ¸100) I_ном, что недопустимо. Поэтому прямой пуск возможен только у двигателей малой мощности, где I_я,п (4¸6) I_ном и разгон двигателя длится менее 1 с.

Пуск при включении пускового реостата R_п последовательно с якорем рассмотрим на примере схемы рис. 1.25. Пусковой ток в этом случае равен:

I_я,п = U/( R_я + R_п).                                         (1.7)

Сопротивление R_п = U/ I_я,п – R_я выбирают таким, чтобы в начальный момент пуска, когда Е_пр = 0,  I_я,п = (1,4¸2,5) I_ном (большее число относится к двигателям меньшей мощности).

По мере разгона якоря  возрастает Е_пр, которая  снижает напряжение на якоре (т.е. уменьшается числитель (1.7)), а сопротивление реостата _{Rп выводится.}

Перед пуском реостат R_р выводится, что необходимо для обеспечения  максимального потока и, следовательно, момента при пуске (М_п = С_м I_я,п Ф). По мере разгона якоря реостат R_р вводится до достижения требуемой частоты вращения.

Пуск с ограниченным пусковым током возможен при питании якоря двигателя от отдельного источника (генератора, выпрямителя) с регулируемым напряжением. Ограничение пускового тока и плавный разгон двигателя обеспечиваются постепенным повышением напряжения на якоре от нуля до требуемого значения.

Рассматриваемый метод находит применение в системах управления и регулирования мощных двигателей постоянного тока (см. п.1.14.3).

Двигатель постоянного тока — это… Что такое Двигатель постоянного тока?

Рис. 1 Устройство простейшего коллекторного двигателя постоянного тока с двухполюсным статором и с двухполюсным ротором

Двигатель постоянного тока — электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

История

Краткое описание коллекторного двигателя постоянного тока

Простейший двигатель на рис. 1 является машиной постоянного тока, состоит из одного постоянного магнита на статоре, из одного электромагнита с явно выраженными полюсами на роторе (двухполюсного ротора с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой из двух частей), щёточноколлекторного узла с двумя пластинами (ламелями) и двумя щётками. Имеет два положения ротора (две «мёртвые точки»), из которых невозможен самозапуск, и неравномерный крутящий момент, в первом приближении (магнитное поле полюсов статора B — равномерное (однородное) и др.) равный

, где — число витков обмотки ротора, — индукция магнитного поля полюсов статора, — ток в обмотке ротора [А], — длина рабочей части витка обмотки [м], — расстояние от оси ротора до рабочей части витка обмотки ротора (радиус) [м], — синус угла между направлением северный-южный полюс статора и аналогичным направлением в роторе [рад], — угловая скорость [рад/сек], — время [сек].

Из-за наличия угловой ширины щёток и углового зазора между пластинами (ламелями) коллектора в двигателе этой конструкции имеются динамически постоянно короткозамкнутые щётками части обмотки ротора. Число короткозамкнутых частей обмотки ротора равно числу щёток. Эти короткозамкнутые части обмотки ротора не участвует в создании общего крутящего момента.

Суммарная короткозамкнутая часть ротора в двигателях с одним коллектором равна:

, где n — число щёток, alfa — угловая ширина одной щётки [радиан].

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент s рамок (витков) с током за один оборот равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода (1оборот = ):

Рис. 2 Коллекторный двигатель постоянного тока с двухполюсным статором и с трёхполюсным ротором

Двигатель на рис. 2 состоит из одного электромагнита на статоре (двухполюсного статора) с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой, трёхполюсного ротора с явно выраженными полюсами и с тремя обмотками (обмотки ротора могут быть включены звездой или треугольником), щёточноколлекторного узла с тремя пластинами (ламелями) и с двумя щётками. Самозапуск возможен из любого положения ротора. Имеет меньшую неравномерность крутящего момента, чем двигатель с двухполюсным ротором (рис. 1).

ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы.

Сокращение ДПТ (двигатель постоянного тока) является неудачным, так как название «двигатель переменного тока» имеет то же сокращение — ДПТ. Но так как двигатели переменного тока разделяются на ассинхронные (АД) и синхронные (СД), сокращение ДПТ относят к двигателям постоянного тока.

Статор

На статоре ДПТ располагаются в зависимости от конструкции:

• постоянные магниты
• электромагниты с обмотками возбуждения — катушки, наводящие магнитный поток возбуждения

В простейшем случае имеет два полюса, т.е. один магнит с одной парой полюсов.

Ротор

Состоит из электромагнитов с переключаемой полярностью и датчика положения ротора и переключателя (коллектора). В простейшем случае ротор состоит из одного электромагнита с двумя полюсами, т.е. имеет одну пару полюсов, при этом есть две «мёртвые точки» из которых невозможен самозапуск двигателя.

Рис. 3 Ротор

Ротор с тремя полюсами (полторы пары) имеет наименьшее число полюсов ротора при которых самозапуск возможен из любого положения ротора. На самом деле один полюс всё время делится на две части, т.е. ротор имеет неявные две пары полюсов. Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).

При вычислении момента инерции ротора его в первом приближении можно считать сплошным однородным цилиндром с моментом инерции равным где — масса цилиндра (ротора), а — радиус цилиндра (ротора).

Коллектор (коллекторный узел, щёточный узел, коллекторно-щёточный узел, щёточно-коллекторный узел)

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции — является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

Конструкции коллекторов имеют множество разновидностей.

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Рис. 4 Графитовые щётки

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки часто размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором положения щёток относительно статора (снижая ток коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим, при проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

Классификация

• По виду магнитной системы статора
  • С постоянными магнитами
  • С электромагнитами
    • По способу включения обмоток возбуждения электромагнитов статора

Двигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения существенно влияет на тяговые и электрические характеристики электродвигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

Принцип работы

В принципе работы электродвигателя постоянного тока есть два подхода: 1. рамка (2 стержня) с током в магнитном поле статора, 2. взаимодействие магнитных полей статора и ротора.

Рамка с током в однородном магнитном поле полюсов статора

В однородном магнитном поле полюсов статора с индукцией на два стержня рамки длиной с током действуют силы Ампера постоянной величины, равные

и направленные в противоположные стороны.

Эти силы прикладываются к плечам , равным

, где — радиус рамки, и создают крутящий момент , равный

.

Для двух стержней рамки суммарный крутящий момент равен

. Практически из-за того, что угловая ширина щётки [радиан] немного меньше угловой ширины зазора между пластинами (ламелями) коллектора, чтобы источник питания не замыкался накоротко, четыре небольших части под кривой крутящего момента, равные , где , не участвуют в создании общего крутящего момента.

При числе витков в обмотке равном s крутящий момент будет равен .

Наибольший крутящий момент будет при угле поворота рамки равном , т.е. 90°, при этом угле поворота рамки с током вектора магнитных полей статора и ротора (рамки) будут перпендикулярны друг к другу, т.е. под углом 90°. При угле поворота ротора (рамки) 180° крутящий момент равен нулю из-за нулевого плеча, но силы не равны нулю и это положение ротора (рамки), при отсутствии переключения тока, весьма устойчиво и подобно одному шагу в шаговом двигателе.

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой крутящего момента делённой на длину периода :

При s витков в обмотке

Две рамки с током в однородном магнитном поле полюсов статора

Если на роторе машины установить вторую рамку, сдвинутую относительно первой на угол π / 2, то получится четырёхполюсный ротор. Момент второй рамки:

Суммарный момент обеих рамок:

Таким образом получается, что крутящий момент зависит от угла поворота ротора, но неравномерность меньше, чем при одной рамке. Кроме этого добавляется самозапуск из любого положения ротора. При этом для второй рамки потребуется второй коллектор (щёточно-коллекторный узел). Оба узла соединяются параллельно, при этом переключение тока в рамках происходит в интервалах с наименьшим током в рамках, при последовательном соединении переключение тока в одной из рамок (разрыв цепи) происходит во время максимального тока в другой рамке. Практически, из-за того, что угловая ширина щётки α [рад] немного меньше угловой ширины зазора β [рад] между пластинами коллектора (ламелями) восемь небольших частей под кривой крутящего момента, равных

, где Δ = β − α, не участвуют в создании общего крутящего момента.

Рамка с током в неоднородном магнитном поле полюсов статора

Если магнитное поле полюсов статора неоднородное и изменяется по отношению к стержням рамки по закону

, то крутящий момент для одного стержня будет равен

,

для двух стержней

,

для рамки из витков

.

В создании крутящего момента не участвуют четыре части под кривой крутящего момента равные

.

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой делённой на длину периода :

При s витках в обмотке

Две рамки с током в неоднородном магнитном поле полюсов статора

Для второй (косинусной) рамки ,

крутящий момент от второй (косинусной) рамки будет равен

,

суммарный крутящий момент от обеих рамок равен

, т.е. постоянен и от угла поворота ротора не зависит.

Практически, из-за наличия зазора, восемь небольших частей под кривой крутящего момента равные

каждая,

в создании крутящего момента не участвуют.

Для вычисления момента инерции ротора его можно считать в первом приближении сплошным однородным цилиндром с моментом инерции

, где — масса цилиндра (ротора), — радиус цилиндра (ротора).

Взаимодействие магнитных полей

Магнитные поля статора и ротора (рамки с током), взаимоотталкиваются, чем ротор (рамка) приводится во вращение на 180°. Для дальнейшего вращения необходимо переключение направления тока в рамке.

Разновидности

Коллекторные, с щёточноколлекторным переключателем тока

С одним коллектором (щёточноколлекторным узлом) и обмотками, где — число пар полюсов ротора, с соединением обмоток ротора в кольцо (по этой классификации двигатель на рис. 2 является полуторным, имеет полторы пары полюсов и 2*1,5=3 обмотки ротора). Имеют большую короткозамкнутую щётками часть обмотки ротора, равную

, где — число щёток, — угловая ширина одной щётки (рад), — число пи (3,14…).

С двумя коллекторами (щёточноколлекторными узлами, в бесколлекторных с инвертором на двух параллельных мостах) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусный, двухфазный) с неоднородным (синусообразным) магнитным полем полюсов статора. Имеют малую нерабочую часть под кривой крутящего момента, равную

, где — угловая ширина зазора между пластинами коллектора (ламелями), подобен двухфазному бесколлекторному.

С тремя коллекторами и тремя обмотками (в бесколлекторных с инвертором на трёх параллельных мостах, трёхфазный).

С четырьмя коллекторами (щёточноколлекторными узлами) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусные), специальные. Специальная конструкция коллектора с четырьмя коллекторами (один коллектор на одну щётку) позволяет почти до нуля уменьшить нерабочую часть крутящего момента (нерабочая часть крутящего момента в этом двигателе зависит от точности изготовления деталей) и сделать используемую часть крутящего момента независимой от угловой ширины щётки. При этом угловая ширина одной пластины коллектора равна , где — угловая ширина одной щётки.

С четырьмя коллекторами и четырьмя обмотками (в бесколлекторных — с инвертором на четырёх параллельных мостах, четырёхфазный).

С восемью коллекторами (щёточноколлекторными узлами). В этом двигателе уже нет рамок, а ток подаётся через коллекторы в отдельные стержни ротора.

И др.

Другие виды электродвигателей постоянного тока

Применение

• Электропривод тепловозов, теплоходов, карьерных самосвалов
• Стартёры автомобилей, тракторов и др. Для уменьшения номинального напряжения двигателя в автомобильных стартёрах применяют двигатель постоянного тока с четырьмя щётками, при этом эквивалентное комплексное сопротивление ротора уменьшается почти в четыре раза, при этом статор имеет четыре полюса (две пары полюсов). Пусковой ток в автомобильных стартёрах около 200 ампер. Режим работы — кратковременный.

Бесколлекторные, с электронным переключателем тока

Электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР) (Вентильный электродвигатель).

Ротор является постоянным магнитом, а обмотки статора переключаются электронными схемами — инверторами. Бесколлекторные электродвигатели могут быть однофазными (две «мёртвые точки»), двухфазными (синусно-косинусными), трёх- и более фазными.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока с выпрямителем (мостом) может заменить универсальный коллекторный двигатель (УКД).

Управление ДПТ

Механическая характеристика ДПТ

Зависимость частоты от момента на валу ДПТ. Отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абсцисс) — момент на валу ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Механическая характеристика ДПТ есть прямая, идущая с отрицательным наклоном.

Механическая характеристика ДПТ строится при определённом напряжении питания обмоток ротора. В случае построения характеристик для нескольких значений напряжения питания говорят о семействе механических характеристик ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Зависимость частоты вращения ротора от напряжения питания обмоток ротора ДПТ. Отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абцисс) — напряжение питания обмоток ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Регулировочная характеристика ДПТ есть прямая, идущая с положительным наклоном.

Регулировочная характеристика ДПТ строится при определённом моменте, развиваемом двигателем. В случае построения регулировочных характеристик для нескольких значений момента на валу ротора говорят о семействе регулировочных характеристик ДПТ.

Управление ДПТ

Основные формулы, используемые при управлении ДПТ:

Крутящий момент, развиваемый двигателем, пропорционален току в обмотке якоря (ротора):

, где — ток в обмотке якоря, — коэффициент крутящего момента двигателя (зависит от конструкции двигателя и тока в обмотке возбуждения).

Ток в обмотке ротора по закону Ома прямо пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению обмотки ротора:

, где — напряжение, приложенное к обмотке ротора, — сопротивление обмотки ротора.

ПротивоЭДС в обмотках якоря пропорциональна угловой частоте вращения ротора:

, где — коэффициент ЭДС двигателя, — угловая скорость вращения ротора.

Следовательно, величиной крутящего момента можно управлять меняя напряжение на ДПТ. Такой способ применяют для относительно маломощных двигателей.

Для управления более сильными (мощными) двигателями используют: а) принцип ШИМ, когда изменяется не величина напряжения, а длительность его приложения к двигателю, б) регулирование крутящего момента изменением напряжения на обмотке возбуждения, требует меньшую мощность элементов схемы управления, чем регулирование изменением напряжения на всём двигателе, но при этом способе регулирования ток через обмотку якоря не управляется, из-за этого даже при малом крутящем моменте большой ток через обмотку якоря будет нагревать обмотку якоря, что может привести к перегреву и выходу из строя двигателя. Возможно применение для регулирования крутящего момента в небольших пределах от номинального крутящего момента.

Управление двигателем осуществляется по току в обмотке двигателя, который пропорционален напряжению, приложенному к этой обмотке. Реакцию двигателя на данное напряжение при определённом внешнем моменте можно увидеть на соответствующей регулировочной характеристике. Регулировочная характеристика показывает скорость, которую двигатель достигнет в установившемся режиме.

Достоинства и недостатки ДПТ

Достоинства:

• Простота устройства и управления
• Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя
• Легко регулировать частоту вращения.
• Хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент).

Недостатки:

• Необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов
• Ограниченный срок службы из-за износа коллектора

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Принцип действия электродвигателей постоянного тока

---

 

 

        Работа электрических машин основана на физических законах электромагнитной индукции и действия электромагнитных сил. Согласно этим законам на проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет действовать сила, стремящаяся вытолкнуть его из магнитного поля.

       Для работы любого электродвигателя является необходимым наличие взаимодействия магнитного поля и проводников, по которым проходит ток. Момент электромагнитных сил, приводящий в движение якорь электродвигателя, пропорционален магнитной индукции, длине проводника и проходящему по нему току; направление момента легко определить по правилу левой руки.

     На рисунке выше приведена схема, показывающая принцип действия электродвигателя постоянного тока. Два неподвижных полюса магнита 1 создают магнитный поток, направленный от северного полюса N к южному S. В пространстве между полюсами расположена вращающаяся часть двигателя, называемая якорем, с обмоткой из одного витка 2. Концы витка присоединены к переключающему устройству — коллектору 3, выполненному в виде двух полуколец, на которые через щетки 5 подается напряжение от источника постоянного тока 4. При подключении щеток двигателя к источнику тока в витке обмотки, помещенном в магнитное поле, начинает идти ток I. С возникновением тока в витке возникают электромагнитные силы F, стремящиеся повернуть виток относительно оси О_IО. При повороте витка с полукольцами па 90° ток в витке изменит направление на противоположное. Следовательно, при вращении витка ток в проводнике через каждые пол-оборота изменяет свое направление, что позволяет сохранить постоянное направление вращения якоря. Вращающий момент (н • см) можно определить по формуле:

              где Р — мощность на валу электродвигателя, вт

              n — скорость        вращения якоря, об/мин.

        Потребляемый электрическим двигателем ток зависит от режима работы. Так, при неподвижном якоре ток, потребляемый электродвигателем, определяется по закону Ома и зависит от напряжения источника тока и суммы сопротивлений обмоток и щеточно-коллекторного перехода:

            где  U — напряжение источника тока, в;

           R — сопротивление двигателя, ом

           I — потребляемый электрическим двигателем ток, а.

         Этот режим называют режимом короткого замыкания электродвигателя.

Режим короткого замыкания возникает в первый момент включения двигателя, затем ток начинает уменьшаться до некоторой величины, достигая своего наименьшего значения при отсутствии на валу нагрузки. Режим работы электродвигателя, при котором вал не нагружен, называют режимом  холостого хода.

         Уменьшение потребляемого электродвигателем тока при переходе от режима короткого замыкания к режиму холостого хода объясняется тем, что при вращении якоря в магнитном поле в витках его обмотки наводится э.д.с, направленная против напряжения источника тока, питающего двигатель. Потребляемый электродвигателем ток определяется по формуле:

                    где Е — э. д. с, наводимая в витках обмотки якоря при его вращении, в.

        Электродвигатель постоянного тока легко заставить вращаться в противоположную сторону, для чего обычно достаточно изменить полярность подключения источника тока к обмотке якоря.  

 

       На рисунке выше показана схема, обеспечивающая при помощи трехпозиционного тумблера остановку и включение вращения якоря в двух направлениях, то есть реверсирование электродвигателя.

 

       Развитие полупроводниковой техники создало предпосылки для создания двигателей постоянного тока без коллектора и щеток. Функции механического переключателя — коллектора со щетками — выполняют в этом случае транзисторные переключатели. Такой электрический двигатель получил название бесколлекторного двигателя постоянного тока. Бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ перед обычными электродвигателями постоянного тока. Эти преимущества выражаются увеличением времени работы двигателей, повышением их надежности, отсутствием износа щеток, искрения и радиопомех. И хотя бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют несколько большие габариты и массу за счет полупроводникового переключателя, они находят широкое применение в системах автоматики и в качестве основного двигателя — на авто- и судомоделях.

Материал взят из книги «Модельные двигатели» Зуев. В.П

Похожие материалы:

       

 

Принцип работы или принцип действия двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую. Входная мощность двигателя постоянного тока — это мощность постоянного тока. Двигатель постоянного тока работает по принципу закона Лоренца, который гласит, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает силу. Сила называется силой Лоренца, и ее направление можно определить по правилу левой руки Флеминга.

Двигатель постоянного тока имеет якорь и обмотку возбуждения. Якорь подключен к источнику постоянного тока через сегмент коллектора и угольные щетки.Якорь находится под магнитным полем. Магнитное поле создается в двигателе постоянного тока, когда на его обмотку возбуждения подается питание постоянного тока.

Одноконтурная конструкция двигателя постоянного тока показана ниже.

Двигатель постоянного тока имеет якорь и обмотку возбуждения. Якорь подключен к источнику постоянного тока через сегмент коллектора и угольные щетки. Якорь находится под магнитным полем. Магнитное поле создается в двигателе постоянного тока, когда на его обмотку возбуждения подается питание постоянного тока.

Когда проводник якоря с током находится под магнитным полем, на проводник действует сила. Направление силы, испытываемой проводником, можно определить по правилу левой руки Флеминга.

Когда проводник якоря с током находится под магнитным полем, на проводник действует сила. Направление силы, испытываемой проводником, можно определить по правилу левой руки Флеминга.

Согласно правилу левой руки Флеминга, если мы вытянем указательный, средний и большой пальцы левой руки таким образом, чтобы средний палец находился в направлении тока в проводнике, а указательный палец — в направлении магнитного поля. поле, т.е., с севера на южный полюс, затем большой палец указывает направление созданной механической силы.

Величина силы

Когда бесконечно малый заряд dq движется со скоростью v под действием электрического поля E и магнитного поля B, тогда сила Лоренца, испытываемая зарядом dq, определяется выражением;

В двигателе постоянного тока направление тока через проводник якоря в любой момент времени перпендикулярно полю. Ток в левой части катушки равен I, а ток в правой катушке равен -I.

Сила, действующая на левую катушку;
F = BIL Sinθ
θ = 90 ^∘

F = BIL Sin90 [Sin 90 ^∘ = 1]
F = BIL
Сила, действующая на правую катушку, равна;
Fr = BIL Sinθ
θ = 90 ^∘

Fr = B (-I) L Sin90 [Sin 90 ^∘ = 1]
Fr = — BIL

В двигателе постоянного тока направление тока через проводник якоря в любой момент перпендикулярно полю .Ток в левой части катушки равен I, а ток в правой катушке равен -I.

Таким образом, одинаковая величина силы создается на двух сторонах катушки. Однако направление обеих сил противоположно друг другу. Противоположная сила, действующая на две стороны катушки, которые находятся на расстоянии друг от друга «w», вызывает вращение катушки, и катушка начинает вращаться. Таким образом, в двигателе постоянного тока создается крутящий момент.

Величина крутящего момента

Крутящий момент двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока — принципы работы

В любом электродвигателе работа основана на простом электромагнетизм.Токопроводящий проводник создает магнитное поле; когда это затем помещенный во внешнее магнитное поле, он будет испытать силу, пропорциональную току в проводнике и прочности внешнее магнитное поле. Как вам хорошо известно от игры с магнитами в детстве, напротив (Север и юг) полярности притягиваются, в то время как подобные полярности (север и север, юг и юг) отталкивать.Внутренняя конфигурация DC двигатель предназначен для использования магнитного взаимодействие между токонесущими проводник и внешнее магнитное поле к генерировать вращательное движение. Начнем с простого 2-полюсного ОКРУГ КОЛУМБИЯ электродвигатель (красный цвет обозначает магнит или обмотка с «северной» поляризацией, зеленая представляет собой магнит или обмотку с «югом» поляризация). Каждый DC Двигатель состоит из шести основных частей — оси, ротора (он же, якорь), статор, коммутатор, полевой магнит (ы) и кисти. В наиболее распространенных двигателях постоянного тока (и все такое Лучи увидим), внешнее магнитное поле создается на высокопрочных постоянных магнитах 1 .В статор — это неподвижная часть двигателя — это включает корпус двигателя, а также два и более полюсные наконечники с постоянными магнитами. Ротор (вместе с осью и присоединенным коммутатором) вращаются с относительно статора. Ротор состоит из обмоток (обычно на сердечнике), причем обмотки электрически подключен к коммутатору.Над На схеме показана общая компоновка двигателя — с ротор внутри статорных (полевых) магнитов. Геометрия щеток коллектора контакты, а обмотки ротора таковы, что при подаче питания полярность обмотка под напряжением и статор магнит (ы) смещены, а ротор будет вращаться, пока не будет почти выровнен с полевыми магнитами статора.Как ротор достигает выравнивания, щетки перемещаются к следующим контактам коммутатора, и запитать следующую обмотку. Учитывая наши пример двухполюсного двигателя, вращение меняет направление тока через обмотку ротора, приводя к «переворот» магнитного поля ротора, ведя его, чтобы продолжить вращение. Но в реальной жизни DC двигателей всегда будет больше двух полюса (три — очень распространенное число). В в частности, это позволяет избежать «мертвых зон» в коммутатор. Вы можете себе представить, как с в нашем примере двухполюсный двигатель, если ротор находится точно в середине своего вращения (идеально совмещен с полем магниты), он там «застрянет».Между тем, с двухполюсным двигателем есть момент, когда коммутатор закорачивает источник питания (т.е. обе щетки соприкасаются оба контакта коммутатора одновременно). Это плохо скажется на блоке питания, тратить энергию и повредить компоненты двигателя также. Еще один недостаток такого простой двигатель в том, что он будет показывать высокий крутящий момент «рябь» (величина крутящего момента он может производить циклично с положение ротора). Итак, поскольку самый маленький DC двигатели трехполюсные, давайте поработаем с работой одного через интерактивный анимация (требуется JavaScript): Вы заметите несколько вещей из этого, а именно: один полюс полностью запитан за раз (но два другие «частично» находятся под напряжением).Как каждая кисть переходы от одного контакта коммутатора к затем поле одной катушки быстро схлопнется, так как поле следующей катушки будет быстро заряжаться (это происходит в течение нескольких микросекунд). Мы увидим больше о последствиях этого позже, но в Между тем вы видите, что это прямой результат последовательной разводки обмоток катушки: Наверное, нет лучшего способа увидеть как средний DC двигатель собран, чем просто открытие одного.К сожалению, это утомительная работа, а также требующая разрушение совершенно хорошего мотора. К счастью для вас, я пошел вперед и сделал это вместо вас. Кишки мотор Mabuchi FF-030-PN в разобранном виде ( тем же модель, которую Solarbotics продает) доступны для просмотра здесь (на миллиметровой бумаге 10 линий / см).Это основной 3-полюсный DC мотор, с 2-мя щетками и 3-мя коллектором контакты. Использование якоря с железным сердечником (как в Mabuchi, выше) довольно часто встречается и имеет номер преимуществ 2 . Во-первых, железный сердечник обеспечивает прочную жесткую опору обмоток — особенно важное соображение для тяговитый моторы.Ядро также отводит тепло от обмотки ротора, позволяющие приводить в действие двигатель сложнее, чем могло бы быть в противном случае. Железное ядро строительство также относительно недорогое по сравнению с другими типами строительства. Но конструкция с железным сердечником также имеет несколько недостатки. Железная арматура имеет относительно высокая инерция, ограничивающая ускорение двигателя.Этот конструкция также приводит к высокой индуктивности обмоток которые ограничивают срок службы щеток и коммутатора. В небольших двигателях часто используется альтернативная конструкция. с обмоткой якоря без сердечника. Эта конструкция зависит от самого провода катушки для целостность конструкции. В результате якорь полый, и постоянный магнит может быть установлен внутри катушки ротора.Без сердечника DC двигатели имеют гораздо меньшую индуктивность якоря чем двигатели с железным сердечником сопоставимого размера, увеличивая щеточная и коммутаторная жизнь. Диаграмма любезно предоставлена MicroMo Конструкция без сердечника также позволяет производителям строить двигатели меньшего размера; Между тем, из-за отсутствия железо в роторах, двигатели без сердечника в некоторой степени склонны к перегреву.В результате этот дизайн обычно используется только в небольших двигателях малой мощности. Лучи чаще всего будет видеть DC без ядра моторы в виде моторов пейджера. Опять разбираем двигатель без сердечника может быть поучительным — в данном случае мой несчастной жертвой оказался дешевый пейджер-вибратор мотор.Внутренности этого мотора в разобранном виде доступны для просмотра здесь (на миллиметровой бумаге 10 линий / см). Это (точнее, было ) 3-х полюсный двигатель постоянного тока без сердечника. Я выпотрошу их, чтобы у тебя не было до … Чтобы получить лучшее от DC моторы в BEAMbots, нам нужно поближе взглянуть на DC двигательное поведение — как очевидное, так и неявное. Примечания: 1. Другое (как правило, очень большой или довольно старый) DC двигатели используют обмотки для производства внешнее поле. Используя постоянные магниты, современный DC двигатели более эффективны, имеют уменьшение внутреннего нагрева и меньшее использование власть. 2. Следующие 3 абзаца довольно свободно заимствовать материал по ряду страниц MicroMo Веб-сайт. Это отличный сайт и более подробно и выходы из конструкции двигателя без сердечника и представление. Особое внимание следует уделить на свои страницы на Motor Строительство и на развитие электродвижущей силы .

Конструкция и принципы щеточного двигателя постоянного тока

Это часть 2 серии технических руководств по бесщеточным двигателям, в которой для сравнения объясняется конструкция и принципы работы щеточных двигателей. Далее мы расскажем о бесщеточных двигателях.

Прежде чем объяснять принцип работы бесщеточного двигателя, давайте сначала познакомимся с конструкцией и принципами вращения двигателя постоянного тока, предшественника бесщеточного двигателя.Двигатель постоянного тока — это аббревиатура двигателя постоянного тока, и, как следует из названия, это двигатель, который вращается за счет приложения напряжения постоянного тока.

Конструкция и принципы работы щеточного двигателя постоянного тока

2.1 Конструкция и принципы вращения двигателя постоянного тока

2.1.1 Конструкция щеточного двигателя постоянного тока

Общая конструкция электродвигателя постоянного тока (щеточного) показана на рис. 2.1.

Постоянные магниты расположены внутри статора, а в центре их находится ротор с обмотками.Ротор содержит несколько обмоток, и оба конца подключены к коммутатору. Ток течет через обмотки через коммутатор, который контактирует с щетками. Конструкция такова, что вращение ротора переключает сегменты коммутатора, входящие в контакт со щетками, и обмотки, через которые протекает ток, также последовательно переключаются, продолжая вращение.

2.1.2 Принципы вращения щеточного двигателя постоянного тока

Теперь мы объясним принципы вращения двигателей постоянного тока, используя правило левой руки Флеминга, показанное на рис.
2.2 и упрощенная модель, показанная на рис. 2.3.

Пропускание тока через проводник, помещенный в магнитное поле, заставляет проводник воспринимать силу (электромагнитную силу). Согласно правилу левой руки Флеминга ориентации магнитного поля, тока и электромагнитной силы ортогонально связаны друг с другом. Электромагнитная сила, генерируемая в этом состоянии, пропорциональна напряженности магнитного поля, проницаемости и значению тока.

Проницаемость μ — это коэффициент, который представляет легкость, с которой вещество может быть намагничено, а произведение напряженности магнитного поля H и проницаемости μ называется плотностью магнитного потока B .

В упрощенной модели, показанной на рис. 2.3, пара постоянных магнитов расположена так, что северный и южный полюса обращены друг к другу. Одна обмотка катушки расположена между постоянными магнитами, и конструкция позволяет ей свободно вращаться вокруг пунктирной линии.Оба конца катушки подключены к коммутатору, который контактирует со щетками. Щетки подключены к источнику постоянного тока, и ток подается с положительной стороны, которая проходит через катушку, а
возвращается к отрицательной стороне.

Для объяснения принципов вращения двигателя предположим, что ориентация обмоток, показанная на рис. 2.3, является начальной точкой (0 °).

1. Ток i течет через щетки и коммутатор к катушке внутри магнитного поля
.

2. Согласно правилу левой руки Флеминга, электромагнитная сила F движется вверх в проводнике на стороне северного полюса и вниз в проводнике на стороне южного полюса, и катушка вращается по часовой стрелке.

3. Когда катушка поворачивается и приближается к 90 °, как показано на рис. 2.4, коллектор и щетки больше не контактируют, и ток не может течь. Хотя ток может не течь, катушка вращается за счет силы инерции.
4. Когда катушка вращается за счет силы инерции, коммутатор и щетки снова вступают в контакт, вызывая протекание тока и возникновение электромагнитной силы.Когда он поворачивается в положение 180 °, показанное на рис. 2.5, он переходит в то же состояние, что и на рис. 2.3.

Как указано выше, щетки и сегменты коммутатора, которые находятся в контакте с ними, переключаются местами, что переключает направление тока, протекающего через катушку, создавая в катушке электромагнитную силу, которая движется в одном направлении. Это позволяет двигателю постоянного тока продолжать вращаться. Акт изменения направления тока, протекающего через катушку, называется коммутацией.

TIP : Крутящий момент двигателя

Электромагнитная сила F , генерируемая в проводнике, плотность магнитного потока B и ток i связаны следующим образом. F = i B l (2,1) l: длина проводника, пересекающего магнитное поле Кроме того, предполагая, что расстояние от центра оси вращения до проводника составляет r , поскольку катушку можно представить как 2 проводника, крутящий момент T , действующий на ось вращения, будет следующим. T = 2 F r (2.2) На основании формулы (2.1) и формулы (2.2) крутящий момент, создаваемый двигателем, можно рассчитать по следующей формуле. T = 2 i B l r = Kt i (2.3) Kt: Постоянная крутящего момента Постоянная крутящего момента Kt — это величина, присущая двигателю. Из формулы (2.3) видно, что крутящий момент двигателя постоянного тока и ток пропорциональны друг другу.

2.1.3 Характеристики электродвигателя постоянного тока с щеткой

Скорость-моментные характеристики двигателя постоянного тока показаны на рис. 2.6. Наивысшая скорость достигается в состоянии холостого хода (при котором на вал не действует нагрузка), и по мере увеличения крутящего момента нагрузки скорость вращения
уменьшается. Когда скорость двигателя равна нулю (с валом в фиксированном состоянии), создается крутящий момент
.

Этот наклон вниз вправо называется характеристикой наклона.Когда действительно используется двигатель постоянного тока
, эта характеристика вызывает вращение, когда крутящий момент нагрузки и выходной крутящий момент двигателя находятся в равновесии. Например, если крутящий момент TL нагрузки приложен при напряжении V1, скорость вращения будет N1.

Кроме того, как показано в Формуле (2.3), создаваемый крутящий момент пропорционален току. По этой причине, когда приложенное напряжение увеличивается от V1 → V2 → V3, ток двигателя увеличивается, и характеристики скорости — момента изменяются.Если приложенное напряжение изменяется с V1 на V2, а затем на V3 при постоянном моменте нагрузки TL, скорость вращения изменится с N1 на N2, а затем на N3. Если приложенное напряжение равно V1 и крутящий момент нагрузки увеличивается с T1 до T2 или T3, двигатель остановится, но если приложенное напряжение изменится с V1 на V2 или V3, крутящий момент, создаваемый двигателем, изменится на T2 или T3, и для этого причина, по которой двигатель может работать с постоянной скоростью вращения Нс.

2.1.4 Характеристики щеточного двигателя постоянного тока

Характеристики двигателей постоянного тока со щетками указаны ниже.

Преимущества

• Имеется 2 подводящих провода, и достаточно приложить напряжение постоянного тока для вращения.
• Изменение полярности источника питания меняет направление вращения.
• Поскольку используются постоянные магниты, двигатели постоянного тока компактны, легки и эффективны.
• Пусковой момент большой и отличается отличной управляемостью.
• Крутящий момент пропорционален напряжению (току).
• Может работать от сухих элементов и батарей.
• Низкая стоимость

Недостатки

• Истирание щеткой сокращает срок службы.
• Генерируется механический акустический шум.
• Возникает электрический шум.

Поскольку двигатели постоянного тока могут работать, просто подключив источник питания постоянного тока, они используются для ряда приложений. Однако, поскольку щетки и коллектор, скользящие друг относительно друга, вызывают истирание щеток, требуется очистка абразивного порошка, замена щеток и другие типы периодического обслуживания.По мере увеличения количества используемых двигателей обслуживание становится все более трудным, что увеличивает потребность в необслуживаемых двигателях с длительным сроком службы.

В следующей части этого технического руководства — «Серия бесщеточных двигателей» мы объясним структуру и принципы бесщеточных двигателей и сравним их с щеточными двигателями. Пожалуйста, подпишитесь на этот блог, чтобы получать уведомления о будущих публикациях!

Хотите узнать больше?

Предыдущая запись

Следующее сообщение

Узнайте больше о

компании Oriental Motor

Подпишитесь (верхний правый угол), чтобы получать ежемесячные обновления!

Принцип работы параллельного двигателя постоянного тока

Принцип работы параллельного двигателя постоянного тока , последовательного двигателя постоянного тока и всех других двигателей постоянного тока можно сформулировать следующим образом:

Когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует сила .

В случае двигателя постоянного тока магнитное поле создается обмоткой возбуждения. А обмотка якоря подключена к внешнему питающему напряжению, поэтому она играет роль проводника с током, помещенного в магнитное поле.

Поэтому на якорь, помещенный в магнитное поле, действует сила, и он начинает вращаться. Направление вращения двигателя постоянного тока можно определить по правилу левой руки Флеминга
.

При включении двигателя постоянного тока постоянный ток течет через проводники якоря и обмотки возбуждения.Этот поток тока создает поле якоря и полюсное поле. Теперь есть два магнитных поля в воздушном зазоре между полевыми башмаками и якорем. Эти два поля взаимодействуют друг с другом и вращают якорь.

Коммутатор меняет направление тока якоря через равные промежутки времени, так что поле якоря всегда отражается полюсным полем. Поскольку якорь постоянно отталкивается полюсами поля, он продолжает вращать якорь в том же направлении.

Обратная ЭДС в двигателе постоянного тока

Когда обмотка якоря двигателя постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения, она сокращает магнитный поток. Следовательно, в обмотке якоря индуцируется ЭДС в соответствии с законами электромагнитной индукции Фарадея.

Но по закону Ленца эта наведенная ЭДС действует в направлении, противоположном напряжению питания якоря.

Таким образом, эта ЭДС называется обратной ЭДС и обозначается E _b .Эта обратная ЭДС, индуцированная в двигателе постоянного тока, может быть выражена математически следующим образом:

E _b = (PφNZ) / 60A вольт

Где P = количество полюсов
Φ = поток на полюс в Wb
N = скорость двигателя в Частота вращения
Z = количество проводов якоря
A = количество параллельных путей

Значение обратной ЭДС в двигателе постоянного тока

Когда к двигателю не приложена нагрузка, ему требуется очень маленький крутящий момент, необходимый для преодоления потерь на трение и сопротивление воздуха.Следовательно, двигатель потребляет очень небольшой ток якоря.

Ток якоря, I _a = (V — E _b ) / R _a

Следовательно, разница между приложенным напряжением и обратной ЭДС очень мала.

Но когда мы начинаем нагружать двигатель, это снижает скорость якоря. Это приводит к падению обратной ЭДС. Эта уменьшенная обратная ЭДС вызывает протекание большего тока через обмотку якоря, а больший ток приводит к увеличению крутящего момента.

Таким образом, двигатель создает больший крутящий момент при замедлении. Таким образом, двигатель начнет работать со скоростью, при которой ток якоря будет достаточным для создания требуемого крутящего момента за счет нагрузки.

С другой стороны, когда нагрузка на двигатель уменьшается, скорость якоря увеличивается из-за превышения крутящего момента привода. Это увеличивает обратную ЭДС, что приводит к уменьшению тока якоря. Таким образом, противо-ЭДС в двигателе постоянного тока автоматически регулирует ток якоря в соответствии с требованиями нагрузки.

Спасибо, что прочитали о принципе работы шунтирующего двигателя постоянного тока .

Двигатели постоянного тока | Все сообщения

© https://yourelectricalguide.com/ принцип работы параллельного двигателя постоянного тока.

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)? Строительство и работа

Строительство, работа и применение BLDC (бесщеточный двигатель постоянного тока)

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) были предметом особого внимания многих производителей двигателей, поскольку эти двигатели все чаще становятся предпочтительным выбором в многие приложения, особенно в области техники управления двигателями.Двигатели BLDC превосходят щеточные двигатели постоянного тока по многим параметрам, таким как способность работать на высоких скоростях, высокий КПД и лучший отвод тепла.

Они являются неотъемлемой частью современной приводной техники, чаще всего используются для приводов, станков, электродвигателей, робототехники, компьютерной периферии, а также для выработки электроэнергии. С развитием бессенсорной технологии, помимо цифрового управления, эти двигатели стали настолько эффективными с точки зрения общей стоимости системы, размера и надежности.

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)?

Бесщеточный двигатель постоянного тока (известный как BLDC) — это синхронный электродвигатель с постоянными магнитами , который приводится в действие электричеством постоянного тока (DC) и выполняет систему коммутации с электронным управлением (коммутация — это процесс создания крутящего момента в двигателе. путем изменения фазных токов через него в соответствующее время) вместо системы механической коммутации. Двигатели BLDC также называют двигателями с постоянными магнитами с трапециевидной формой.

В отличие от обычного щеточного двигателя постоянного тока, в котором щетки механически контактируют с коммутатором на роторе, образуя электрический путь между источником постоянного тока и обмотками якоря ротора, двигатель BLDC использует электрическую коммутацию с ротором с постоянными магнитами и статором. с последовательностью катушек. В этом двигателе постоянный магнит (или полюса поля) вращается, а токоведущие проводники закреплены.

Катушки якоря переключаются электронно с помощью транзисторов или кремниевых выпрямителей в правильном положении ротора таким образом, что поле якоря находится в пространственной квадратуре с полюсами поля ротора.Следовательно, сила, действующая на ротор, заставляет его вращаться. Датчики Холла или угловые энкодеры обычно используются для определения положения ротора и располагаются вокруг статора. Обратная связь по положению ротора с датчика помогает определить, когда следует переключить ток якоря.

Эта электронная коммутационная система устраняет необходимость в коллекторном устройстве и щетках в двигателе постоянного тока и, следовательно, обеспечивает более надежную и менее шумную работу. Из-за отсутствия щеток двигатели BLDC могут работать на высоких скоростях.КПД двигателей BLDC обычно составляет от 85 до 90 процентов, тогда как электродвигатели постоянного тока щеточного типа имеют КПД от 75 до 80 процентов. Доступны широкие разновидности двигателей BLDC: от небольшого диапазона мощности до дробного, целого и большого диапазонов мощности.

Конструкция двигателя BLDC

Двигатели BLDC могут быть сконструированы в различных физических конфигурациях. В зависимости от обмоток статора они могут быть однофазными, двухфазными или трехфазными.Однако чаще всего используются трехфазные двигатели BLDC с ротором с постоянными магнитами.

Конструкция этого двигателя во многом схожа как с трехфазным асинхронным двигателем, так и с обычным двигателем постоянного тока. Этот двигатель, как и все другие двигатели, имеет статор и ротор.

Статор двигателя BLDC, состоящий из многослойных стальных пластин, несущих обмотки. Эти обмотки размещены в пазах, которые прорезаны в осевом направлении по внутренней периферии статора. Эти обмотки могут быть расположены по схеме звезды или треугольника.Однако у большинства двигателей BLDC есть трехфазный статор, соединенный звездой.

Каждая обмотка состоит из множества соединенных между собой катушек, при этом одна или несколько катушек помещаются в каждый паз. Чтобы сформировать четное количество полюсов, каждая из этих обмоток распределена по периферии статора.

Статор должен быть выбран с правильным номинальным напряжением в зависимости от мощности источника питания. Для робототехники, автомобилей и малых исполнительных устройств предпочтительны двигатели BLDC с напряжением 48 В или менее.Для промышленных применений и систем автоматизации используются двигатели с номинальным напряжением 100 В и выше.

Ротор

Двигатель BLDC включает в себя постоянный магнит в роторе. Число полюсов ротора может варьироваться от 2 до 8 пар полюсов с чередованием южного и северного полюсов в зависимости от требований приложения. Для достижения максимального крутящего момента в двигателе плотность магнитного потока материала должна быть высокой. Для создания необходимой плотности магнитного поля необходим подходящий магнитный материал для ротора.

Ферритовые магниты недороги, однако они имеют низкую магнитную индукцию для данного объема. Магниты из редкоземельных сплавов обычно используются в новых конструкциях. Некоторые из этих сплавов — самарий, кобальт (SmCo), неодим (Nd) и феррит и бор (NdFeB). Ротор может быть сконструирован с различными конфигурациями сердечника, такими как круглый сердечник с постоянным магнитом на периферии, круглый сердечник с прямоугольными магнитами и т. Д.

Датчики Холла

Датчик Холла предоставляет информацию для синхронизации возбуждения якоря статора с положением ротора .Поскольку коммутация двигателя BLDC управляется электроникой, обмотки статора должны быть последовательно запитаны для вращения двигателя. Перед подачей питания на определенную обмотку статора необходимо подтверждение положения ротора. Таким образом, датчик Холла, встроенный в статор, определяет положение ротора.

Большинство двигателей BLDC имеют три датчика Холла, встроенные в статор. Каждый датчик генерирует сигналы низкого и высокого уровня всякий раз, когда полюса ротора проходят рядом с ним. Точная последовательность коммутации обмотки статора может быть определена на основе комбинации характеристик этих трех датчиков.

Принцип работы и работа двигателя BLDC

Двигатель BLDC работает по принципу, аналогичному принципу обычного двигателя постоянного тока, то есть по закону силы Лоренца, который гласит, что всякий раз, когда проводник с током помещен в магнитное поле, он испытывает сила. В результате силы реакции на магнит будет действовать равная и противоположная сила. В случае двигателя BLDC токопроводящий проводник неподвижен, а постоянный магнит движется.

Когда катушки статора электрически переключаются источником питания, он становится электромагнитом и начинает создавать однородное поле в воздушном зазоре.Хотя источником питания является постоянный ток, при переключении генерируется сигнал переменного напряжения трапециевидной формы. Благодаря силе взаимодействия между статором электромагнита и ротором с постоянным магнитом, ротор продолжает вращаться.

Рассмотрим рисунок ниже, на котором статор двигателя возбуждается в зависимости от различных состояний переключения. При переключении обмоток на сигналы высокого и низкого уровня, соответствующая обмотка запитывается как северный и южный полюса. Ротор с постоянным магнитом с северным и южным полюсами совмещен с полюсами статора, заставляя двигатель вращаться.

Обратите внимание, что двигатель создает крутящий момент из-за развития сил притяжения (при выравнивании Север-Юг или Юг-Север) и сил отталкивания (при выравнивании Север-Север или Юг-Юг). Таким образом, двигатель вращается по часовой стрелке.

Здесь может возникнуть вопрос, как мы узнаем, какая катушка статора должна быть под напряжением и когда это делать. Это потому что; Непрерывное вращение двигателя зависит от последовательности переключения катушек. Как обсуждалось выше, датчики Холла передают сигнал обратной связи положения вала электронному контроллеру.

На основе этого сигнала от датчика контроллер решает включить определенные катушки. Датчики на эффекте Холла генерируют сигналы низкого и высокого уровня всякий раз, когда полюса ротора проходят рядом с ними. Эти сигналы определяют положение вала.

Бесщеточный привод двигателя постоянного тока

Как описано выше, схема электронного контроллера подает питание на соответствующую обмотку двигателя путем поворота транзистора или других твердотельных переключателей для непрерывного вращения двигателя. На приведенном ниже рисунке показана схема простого привода BLDC двигателя , которая состоит из моста MOSFET (также называемого мостом инвертора), электронного контроллера, датчика Холла и двигателя BLDC.

Здесь датчики Холла используются для обратной связи по положению и скорости. Электронный контроллер может быть блоком микроконтроллера или микропроцессором, или процессором DSP, или блоком FPGA, или любым другим контроллером. Этот контроллер получает эти сигналы, обрабатывает их и отправляет управляющие сигналы в схему драйвера MOSFET.

Помимо переключения номинальной скорости двигателя, дополнительная электронная схема изменяет скорость двигателя в зависимости от требуемого применения. Эти блоки управления скоростью обычно реализуются с ПИД-регуляторами для точного управления.Также возможно обеспечить четырехквадрантную работу двигателя при сохранении хорошего КПД при изменении скорости с использованием современных приводов.

Связанные статьи по электроприводам

Преимущества двигателя BLDC

Двигатель BLDC имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными двигателями постоянного тока, некоторые из них

• Он не имеет механического коммутатора и связанных с ним проблем
• Высокая эффективность благодаря использованию ротор с постоянными магнитами
• Высокая скорость работы даже в нагруженных и ненагруженных условиях из-за отсутствия щеток, ограничивающих скорость
• Меньшая геометрия двигателя и меньший вес, чем щеточные двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели переменного тока
• Длительный срок службы без проверки и обслуживание требуется для системы коллектора
• Более высокая динамическая характеристика из-за низкой инерции и несущих обмоток в статоре
• Меньше электромагнитных помех
• Тихая работа (или низкий уровень шума) из-за отсутствия щеток

Недостатки бесщеточного двигателя

• Эти двигатели дорогие
9031 7 Требуется электронный контроллер для управления этим двигателем стоит дорого
• Не так много возможностей интегрированного электронного управления, особенно для крошечных двигателей BLDC
• Требуется сложная схема привода
• Необходимы дополнительные датчики

Вы также можете прочитать: Подключение трехфазного двигателя Звезда / треугольник (Y-Δ) назад / вперед с таймером Схема питания и управления

Применения бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC)

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) используются для самых разных применений требования, такие как переменные нагрузки, постоянные нагрузки и приложения для позиционирования в областях промышленного управления, автомобилестроения, авиации, систем автоматизации, медицинского оборудования и т. д.Некоторые конкретные применения двигателей BLDC:

• Жесткие диски компьютеров и DVD / CD-плееры
• Электромобили, гибридные автомобили и электрические велосипеды
• Промышленные роботы, станки с ЧПУ и простые системы с ременным приводом
• Стиральные машины, компрессоры и осушители
• Вентиляторы, насосы и нагнетатели

Похожие сообщения

Теория двигателей постоянного тока | Принцип работы

Одним из важнейших достижений в области электричества является электродвигатель .Электродвигатель преобразует электрическую энергию во вращающуюся механическую энергию.

Двигатели используются в таких изделиях, как охлаждение и кондиционирование воздуха, миксеры для пищевых продуктов, пылесосы, измельчители, насосы, настольные пилы, токарные станки, различные станки по дереву и металлу, а также сотни других полезных машин.

Работа двигателя постоянного тока (принцип работы)

Двигатель постоянного тока — это просто применение магнитных принципов. Вращение двигателя зависит от взаимодействия магнитных полей.Вы помните, что законы магнетизма гласят:

Подобно полюсам, отталкиваются друг от друга.

В отличие от полюсов притягиваются друг к другу.

или

Северный полюс отталкивает северный полюс. Южный полюс отталкивает южный.

Но

Северный и южный полюса притягиваются друг к другу.

Теория простого двигателя постоянного тока подробно описана в рисунках с 1 по 9 . Рисунки 1 и 2 схематично изображают основные части, поля и якорь. На рисунках 3 и 4 детали двигателя собраны вместе. Цифры с 5 по 9 проведут вас через моторное действие. Изучите эти цифры.

Рисунок 1. Магнитное поле существует между северным и южным полюсами постоянного магнита.

Рис. 2. Электромагнит намотан на железный сердечник, а сердечник помещен на вал, чтобы он мог вращаться. Эта сборка называется арматурой

.

Рисунок 3. Якорь помещен в постоянное магнитное поле

Рисунок 4. Концы катушки якоря соединены с полукруглыми металлическими участками, называемыми коммутаторами. Щетки контактируют с вращающимися секциями коллектора и питают катушку якоря от внешнего источника питания. (Напомним, что полярность электромагнитов якоря зависит от направления тока, протекающего через катушку.) К щеткам подключен аккумулятор. Ток течет через щетку A в секцию коммутатора A, через катушку в секцию B и обратно в батарею через щетку B, замыкая цепь.Катушка якоря намагничена, как указано на эскизе

.

Рисунок 5. Северный полюс якоря отталкивается северным полюсом полевого магнита. Южный полюс якоря отталкивается южным полюсом полевого магнита. Якорь поворачивается на четверть оборота или на 90 градусов.

Рисунок 6. Северный полюс якоря притягивается южным полюсом полевого магнита. Южный полюс якоря притягивается северным полюсом полевого магнита.Якорь поворачивается еще на четверть оборота. Сейчас получилась половина революции.

Рисунок 7. По мере того, как секции коммутатора вращаются вместе с якорем, секция B контактирует с щеткой A, а секция A — с щеткой B. Теперь ток течет в секцию B и выходит из секции A. Из-за коммутатора ток в якоре изменился на противоположное. переключающее действие. Реверсирование тока изменяет полярность якоря, так что разные полюса находятся рядом друг с другом.

Рисунок 8. Подобные полюса отталкиваются друг от друга, а разные полюса притягиваются. Якорь поворачивается еще на четверть оборота.

Рисунок 9 . В отличие от полюсов притягиваются друг к другу, и якорь поворачивает последнюю четверть оборота, совершая один оборот. Коммутатор и щетки теперь выровнены в свои исходные положения, что заставляет ток в якоре снова реверсировать. Якорь продолжает вращаться за счет отталкивания и притяжения. Коммутатор меняет направление тока на каждую половину оборота.

Конструкция простого двигателя постоянного тока очень похожа на генератор постоянного тока . Фактически, генератор постоянного тока и двигатель часто взаимозаменяемы. В этих случаях они обозначаются как машины постоянного тока .

Чтобы сделать двигатель более мощным, постоянные магниты поля можно заменить электромагнитами, называемыми обмотками возбуждения . Обмотка возбуждения размещается над полюсным наконечником из мягкого железа. Он состоит из множества витков покрытого эмалью медного провода. Как и генератор, к обмоткам возбуждения может быть подключен независимый источник напряжения.Или обмотки возбуждения могут быть подключены последовательно или параллельно обмоткам якоря к одному источнику напряжения, см. Рисунок 10.

Рисунок 10 . Эскизы и принципиальные схемы соединений обмоток возбуждения. A — Двигатель с обмоткой включается параллельно. B –Двигатель с серийным заводом. C — Полевой двигатель с независимым возбуждением.

Постройте пробный двигатель, Рисунок 11 . Подключите двигатель сначала последовательно, а затем параллельно, как подмешивающий двигатель.Сравните скорость и мощность двух двигателей.

Рисунок 11. Осмотрите пробный двигатель с последовательным и параллельным подключением.

Практический мотор

В промышленности двигатели изготавливаются несколько иначе, чем описано. Вращательная сила возникает из-за взаимодействия между магнитным полем вокруг проводника с током и фиксированным магнитным полем. Проводник, по которому течет ток, окружен магнитным полем.Направление поля зависит от направления тока. Когда этот проводник помещается в фиксированное магнитное поле, взаимодействие между двумя полями вызывает движение. Изучите Рисунки с 12 по 16 .

Рис. 12. Между полюсами постоянного магнита существует магнитное поле. Стрелки указывают направление поля.

Рисунок 13. Токоведущий проводник имеет магнитное поле; его направление зависит от направления тока.Используйте правило левой руки, чтобы определить направление.

Рисунок 14. Поле вокруг проводника течет с постоянным полем над проводником, но противостоит постоянному полю под проводником. Проводник будет двигаться навстречу ослабленному полю.

Рис. 15. В проводнике изменился ток, в результате чего поле проводника изменилось на противоположное. Теперь поле усиливается под проводником и ослабляется над проводником.Кондуктор двинется вверх.

Рис. 16. Единственный проводник заменяется катушкой проводников, намотанных в пазах сердечника якоря. Обратите внимание, как взаимодействие двух полей приводит к вращению. Сторона катушки A движется вверх, а сторона B катушки — вниз. Вращение — по часовой стрелке .

Катушки якоря промышленных двигателей подключаются к секциям коллектора, как в опытном двигателе. Теория работы аналогичная. Практичный двигатель имеет несколько катушек якоря, намотанных в отдельные пазы вокруг сердечника.Каждая катушка имеет секцию коммутатора. Увеличение числа полюсов поля увеличивает мощность двигателя.

Четырехполюсный двигатель изображен на Рисунок 17 . Течение делится на четыре части. Ток, протекающий в обмотках под каждым полюсом возбуждения, вызывает вращение. Затем это увеличивает вращающую способность или крутящий момент двигателя.

Рис. 17. Крутящий момент двигателя увеличивается за счет добавления катушек якоря и катушек возбуждения.

Противодействующая электродвижущая сила

Когда проводник прорезает магнитное поле, в движущемся проводнике индуцируется напряжение.И хотя двигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую, когда якорь начинает вращаться, двигатель также становится генератором.

Генерируемая электрическая сила, которая противодействует приложенной ЭДС, называется противоэлектродвижущей силой . Противоэлектродвижущую силу часто записывают как противоэдс или c-эдс. Это результат работы двигателя как генератора. Если бы двигатель был подключен к первичному двигателю и вращался в том же направлении, что и двигатель постоянного тока, он бы вырабатывал напряжение с противоположной полярностью.См. Рисунок 18 .

Рисунок 18. Генератор и двигатель вращаются по часовой стрелке. Генератор постоянного тока развивает полярность, противоположную полярности двигателя, для того же вращения по часовой стрелке. Это основа противо-ЭДС.

Величина противоэдс увеличивается с увеличением скорости вращения и напряженности поля. Следовательно:

\ [\ text {Counter emf = Speed} \! \! \ Times \! \! \ Text {Field Strength} \! \! \ Times \! \! \ Text {K} \]

Где K равно некоторой константе.Эта константа будет различаться в разных двигателях. На это влияют такие вещи, как количество обмоток. Фактическое действующее напряжение при приложении к обмоткам якоря должно составлять:

$ {{E} _ {source}} — {{E} _ {counter}} = {{E} _ {armature}}

долл. США

Ток, протекающий в обмотках якоря в любой момент времени, можно найти с помощью закона Ома, если известно омическое сопротивление обмоток:

\ [{{I} _ {арматура}} = \ frac {{{E} _ {арматура}}} {{{R} _ {арматура}}} \]

Важно отметить, что по мере замедления вращения якоря двигателя создается меньшая противоэдс.В результате уменьшения противо-ЭДС будет увеличиваться ток через цепь якоря. Ток будет увеличиваться до тех пор, пока двигатель не перестанет вращаться, как при физической перегрузке.

Когда двигатель глохнет, максимальный ток в цепи якоря ограничивается только сопротивлением якоря. Это условие приводит к очень высоким значениям тока. Двигатель постоянного тока должен быть должным образом защищен от условий перегрузки.

Защита от перегрузки

Защита от перегрузки может быть обеспечена одним из нескольких способов.Используемый метод зависит от размера, типа и области применения двигателя. Цепь питания двигателя обычно защищена предохранителем или автоматическим выключателем .

Предохранитель или автоматический выключатель

A обеспечивает наилучший способ защиты от повреждений в результате короткого замыкания или блокировки ротора. Заблокированный ротор — это термин, который означает, что ротор не вращается из-за физического сопротивления, когда к двигателю подается мощность.

Фактическая защита от перегрузки обычно обеспечивается тепловой перегрузкой.Устройство с термоперегрузкой представляет собой простое устройство с храповым механизмом, удерживаемое металлическим сплавом, например припоем. Когда состояние перегрузки генерирует ток, достаточный для расплавления припоя, колесо может свободно вращаться, вызывая размыкание цепи. Это позволяет двигателю безопасно отключиться до того, как будет нанесен ущерб оборудованию или персоналу. См. Рисунок 19 .

Рис. 19. Устройство защиты от перегрева устанавливается на дно пускателя двигателя и обеспечивает защиту двигателя от перегрузок.

Другой тип защиты от перегрузки — биметаллическое устройство защиты от перегрузки. Биметаллические устройства защиты от перегрузки содержат биметаллическую полосу с контактами на каждом конце. Биметаллическая полоса состоит из двух слоев, каждый из которых изготовлен из разного металла.

Ток протекает через биметаллическую ленту и контакты. Когда ток достигает установленного уровня, биметаллические полоски изгибаются настолько, что контакты разъединяются, размыкая цепь. Поскольку каждый из двух металлов расширяется с разной скоростью, биметаллическая полоса изгибается. После охлаждения биметаллическая полоса возвращается к своей первоначальной форме и снова замыкает контакты.См. Рисунок 20 .

В соответствии с Национальным электротехническим кодексом двигатели постоянного тока мощностью более одной лошадиной силы должны быть защищены плавким предохранителем или автоматическим выключателем, который составляет не более 150 процентов от тока полной нагрузки. Сечение проводника, питающего двигатель, должно выдерживать не менее 125 процентов тока полной нагрузки.

Термоперегрузочное устройство рассчитано на максимальный номинальный ток двигателя при полной нагрузке. Обычно он рассчитан на 115–125 процентов тока полной нагрузки в зависимости от конкретного типа двигателя и его применения.

Рис. 20. Два разных металла расширяются на разную длину, вызывая разрыв цепи

Коммутация и интерполяция

При вращении якоря двигателя ток в обмотках якоря обычно меняется на противоположный. Это вызвано действием коммутатора . Однако из-за самоиндукции обмоток ток не меняется мгновенно. Это приводит к искрообразованию на щетках коллектора.

Существует несколько способов предотвращения образования искр.Один из способов — изменить положение кистей. При использовании этого метода щетки слегка перемещаются против направления вращения, а противоэдс используется для возбуждения предыдущего полюса. Противоэдс противодействует самоиндукции, вызванной уменьшением тока в катушке. Искрообразование устранено.

Этот метод, однако, не является практическим методом предотвращения искрения на больших двигателях, используемых в условиях переменной нагрузки. Поскольку нагрузка на двигатель меняется, положение щеток необходимо менять вручную.Вместо этого в более крупных двигателях используются промежуточные полюса для уменьшения искрения. Межполюсник представляет собой меньший полюс поля, расположенный посередине между полюсами основного поля, Рисунок 21 .

Межполюсник имеет ту же полярность, что и полюса основного поля, и следует за основным полюсом в направлении вращения. Интерполюсы также называются переключающими полюсами .

Рисунок 21. Межполюсники уменьшают искрение на коммутаторе.

При прохождении якоря межполюсника возникает противоэдс.Эта противо-ЭДС преодолевает ЭДС, вызванную самоиндукцией в обмотках якоря. Обмотки межполюсника включены последовательно с якорем и переносят ток якоря. Таким образом, напряженность межполюсного поля изменяется при изменении нагрузки, что обеспечивает автоматический контроль искрообразования коммутатора.

Регулировка скорости

Многие двигатели предназначены для специальных целей. Некоторые из них развивают полную мощность под нагрузкой, в то время как другие должны быть увеличены до скорости до приложения нагрузки.

Когда скорость двигателя определяется в процессе работы, двигатель должен поддерживать эту скорость при различных условиях нагрузки.

Отношение скорости без нагрузки к скорости при полной нагрузке может быть выражено в процентах от скорости при полной нагрузке. Это называется процента регулирования скорости . Уравнение записано:

\ [\ text {Процент регулирования скорости =} \ frac {\ text {Скорость холостого хода — скорость полной нагрузки}} {\ text {Скорость полной нагрузки}} \ text {} \! \! \ Times \ ! \! \ text {100 процентов} \]

Процент регулирования низкой скорости означает, что двигатель работает с некоторой постоянной скоростью независимо от приложенной нагрузки.

Бесщеточные двигатели постоянного тока — Часть I: Конструкция и принципы работы

Электрооборудование часто имеет по крайней мере один двигатель, используемый для поворота или смещения объекта из его исходного положения. На рынке доступно множество типов двигателей, включая асинхронные двигатели, серводвигатели, двигатели постоянного тока (щеточные и бесщеточные) и т. Д. В зависимости от требований приложения можно выбрать конкретный двигатель. Тем не менее, текущая тенденция заключается в том, что большинство новых разработок ориентированы на бесщеточные двигатели постоянного тока, широко известные как двигатели BLDC.

Эта статья будет сосредоточена на следующих аспектах конструкции двигателя BLDC:

• Конструкция двигателя BLDC
• Работа двигателя BLDC
• Требования к крутящему моменту и КПД
• Сравнение с асинхронными и щеточными двигателями постоянного тока
• Критерии выбора двигателя BLDC
• Управление двигателем — скорость, положение и крутящий момент, которые будут рассмотрены в Части II этой статьи.

Строительство

Двигатели

BLDC имеют много общего с асинхронными двигателями переменного тока и щеточными двигателями постоянного тока с точки зрения конструкции и принципов работы соответственно.Как и все другие двигатели, двигатели BLDC также имеют ротор и статор.

Статор

Подобно асинхронному двигателю переменного тока, статор двигателя BLDC изготовлен из многослойной стали, уложенной друг на друга для переноса обмоток. Обмотки в статоре могут быть расположены по двум схемам; то есть узор звезды (Y) или узор дельты (∆). Основное различие между двумя моделями состоит в том, что диаграмма Y дает высокий крутящий момент при низких оборотах, а диаграмма ∆ дает низкий крутящий момент при низких оборотах. Это связано с тем, что в конфигурации ∆ половина напряжения прикладывается к обмотке, которая не приводится в действие, что увеличивает потери и, в свою очередь, КПД и крутящий момент.

Стальные листы в статоре могут быть с пазами или без щелей, как показано на рис. 2. Сердечник без паза имеет меньшую индуктивность, поэтому он может работать с очень высокими скоростями. Из-за отсутствия зубьев в пакете ламинирования требования к крутящему моменту зубчатого зацепления также снижаются, что делает их идеальными для низких скоростей (когда постоянные магниты на роторе и зубцы на статоре совпадают друг с другом, тогда из-за при взаимодействии между ними возникает нежелательный крутящий момент, вызывающий колебания скорости).Основным недостатком сердечника без паза является более высокая стоимость, поскольку он требует большего количества обмоток, чтобы компенсировать больший воздушный зазор.

Правильный выбор многослойной стали и обмоток для конструкции статора имеет решающее значение для рабочих характеристик двигателя. Неправильный выбор может привести к множеству проблем во время производства, что приведет к задержкам на рынке и увеличению затрат на проектирование.

Ротор

Ротор типичного двигателя BLDC сделан из постоянных магнитов.В зависимости от требований приложения количество полюсов ротора может варьироваться. Увеличение числа полюсов дает лучший крутящий момент, но за счет снижения максимально возможной скорости.

Еще одним параметром ротора, влияющим на максимальный крутящий момент, является материал, из которого изготовлен постоянный магнит; чем выше плотность магнитного потока материала, тем выше крутящий момент.

Принцип работы и принцип действия

Основные принципы работы двигателя BLDC такие же, как и для щеточного двигателя постоянного тока; я.е., внутренняя обратная связь по положению вала. В случае щеточного двигателя постоянного тока обратная связь реализуется с помощью механического коммутатора и щеток. В двигателе BLDC это достигается за счет использования нескольких датчиков обратной связи. Чаще всего используются датчики Холла и оптические энкодеры. Примечание: Датчики Холла работают по принципу эффекта Холла: когда проводник с током подвергается воздействию магнитного поля, носители заряда испытывают силу, основанную на напряжении, возникающем на двух сторонах проводника.

Если направление магнитного поля поменять местами, развиваемое напряжение также изменится на противоположное. Для датчиков Холла, используемых в двигателях BLDC, всякий раз, когда магнитные полюса ротора (N или S) проходят рядом с датчиком Холла, они генерируют сигнал ВЫСОКОГО или НИЗКОГО уровня, который можно использовать для определения положения вала.
В системе коммутации, основанной на положении двигателя, определяемом с помощью датчиков обратной связи, две из трех электрических обмоток находятся под напряжением одновременно, как показано на рисунке 4.

На рисунке 4 (A) ЗЕЛЕНАЯ обмотка с маркировкой «001» запитана как СЕВЕРНЫЙ полюс, а СИНЯЯ обмотка с маркировкой «010» запитана как ЮЖНЫЙ полюс. Из-за этого возбуждения ЮЖНЫЙ полюс ротора совмещается с ЗЕЛЕНОЙ обмоткой, а СЕВЕРНЫЙ полюс совпадает с КРАСНОЙ обмоткой, обозначенной «100». Для перемещения ротора на «КРАСНУЮ» и «СИНЮЮ» обмотки подается напряжение в направлении, показанном на рисунке 4 (B). Это приводит к тому, что КРАСНАЯ обмотка становится СЕВЕРНЫМ полюсом, а СИНЯЯ обмотка становится ЮЖНЫМ полюсом.Это смещение магнитного поля в статоре создает крутящий момент из-за развития отталкивания (красная обмотка — выравнивание СЕВЕР-СЕВЕР) и сил притяжения (СИНЯЯ обмотка — выравнивание СЕВЕР-ЮГ), которые перемещают ротор по часовой стрелке.

Этот крутящий момент является максимальным, когда ротор начинает двигаться, но он уменьшается по мере совмещения двух полей друг с другом. Таким образом, чтобы сохранить крутящий момент или увеличить вращение, магнитное поле, создаваемое статором, должно переключаться.Чтобы догнать поле, создаваемое статором, ротор будет продолжать вращаться. Поскольку магнитное поле статора и ротора вращается с одинаковой частотой, они относятся к категории синхронных двигателей.

Это переключение статора для увеличения вращения известно как коммутация. Для трехфазных обмоток коммутация состоит из 6 ступеней; т.е. 6 уникальных комбинаций, в которых обмотки двигателя будут находиться под напряжением.

Схема

и формы сигналов для реализации двигателя BLDC будут рассмотрены во второй части этой статьи.

Крутящий момент и КПД

Для изучения электродвигателей крутящий момент — очень важный термин. По определению, крутящий момент — это сила силы вращать объект вокруг своей оси.

Таким образом, для увеличения крутящего момента необходимо либо увеличить силу, что требует более сильных магнитов или большего тока, либо увеличить расстояние, для чего потребуются более крупные магниты. Эффективность имеет решающее значение для конструкции двигателя, поскольку она определяет количество потребляемой мощности.Двигателю с более высоким КПД также потребуется меньше материала для создания необходимого крутящего момента.

Где,

Поняв приведенные выше уравнения, становится важным понять кривую зависимости скорости от крутящего момента.

Ниже приведены выводы из графика, показанного на Рисунке 5:

• С увеличением скорости крутящий момент уменьшается (учитывая постоянную входную мощность).
• Максимальная мощность может быть выдана, когда скорость составляет половину скорости «без нагрузки», а крутящий момент составляет половину крутящего момента при остановке.

Приложения

Односкоростной — Для односкоростных приложений больше подходят асинхронные двигатели, но если скорость должна поддерживаться с изменением нагрузки, то из-за плоской кривой скорость-крутящий момент двигателя BLDC, двигатели BLDC являются хорошо подходит для таких приложений.

Регулируемая скорость — Двигатели BLDC становятся более подходящими для таких применений, потому что асинхронным двигателям с регулируемой скоростью также потребуется дополнительный контроллер, что увеличивает стоимость системы.Щеточные двигатели постоянного тока также будут более дорогим решением из-за регулярного технического обслуживания.

Управление положением — Точное управление не требуется в таких приложениях, как индукционная плита, и из-за низких затрат на обслуживание; Двигатели BLDC и здесь являются победителем. Однако для таких приложений в двигателях BLDC используются оптические энкодеры, и для контроля крутящего момента, скорости и положения требуются сложные контроллеры.

Применения с низким уровнем шума — Двигатели постоянного тока с щеточным покрытием известны тем, что генерируют больше электромагнитных помех, поэтому BLDC лучше подходит, но требования к управлению двигателями BLDC также создают электромагнитные помехи и звуковой шум.