Принцип действия электродвигателя постоянного тока

Электрический двигатель – неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперёд. Это настолько важно, что принцип работы электродвигателя изучают ещё со школьной скамьи. Круговое вращение электроприводного вала легко трансформируется во все остальные виды движения. Поэтому любой станок, созданный для облегчения труда и сокращения времени на изготовление продукции, можно приспособить под выполнение множества задач. Каков же принцип действия электродвигателя, как он работает и каково его устройство – обо всём этом понятным языком рассказывается в представленной статье. Как работает двигатель постоянного тока 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. Принцип действия современных электродвигателей 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 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. 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. Что касается электрической 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.  • Скачать лекцию: двигатели постоянного тока   Свежие записи:

Электродвигатель постоянного тока. Принцип действия и устройство. – www.motors33.ru

На рис. 1-1 представлена простейший электродвигатель постоянного тока, а на рис. 1-2 дано его схематическое изображение в осевом направлении. Неподвижная часть двигателя, называемая индуктор, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в электродвигателе основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис. 1-1 имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рис. 1-1 не показано).
Вращающаяся часть электродвигателя состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанном на рис. 1-1 и 1-2 простейшем электродвигателе имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных электродвигателях постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

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

Генератор постоянного тока.

Рассмотрим сначала работу электродвигателя в режиме генератора.

Предположим, что якорь электродвигателя (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется Э. Д. С., направление которой может быть определено по «правилу правой руки» и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта Э. Д. С. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется Э. Д. С. вращения. В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые Э. Д. С., которые по контуру витка складываются. Частота Э. Д. С. f в двухполюсном электродвигателе равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

f = n,
а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью:
f = pn

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Двигатель постоянного тока.

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент. Величины силы и момента определяются как и для генератора. При достаточной величине Мэм якорь электродвигателя придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Мэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис. 1-2, а) и двигателя (рис. 1-2, б) были одинаковы, то направление действия а следовательно, и направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис. 1-2, б).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.
Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждый электродвигателя постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.
Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно, при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.
Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.
Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в электродвигателях переменного тока.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока, устройство электромотора.

Электродвигатель постоянного тока был изобретен раньше других типов машин, преобразующих электрическую энергию в механическую. Несмотря на то, что позднее самое широкое распространение получили двигатели переменного тока, существуют сферы применения, в которых нет альтернативы электродвигателям постоянного тока.

Подробно о классификации и принципах работы электрических моторов, рекомендуем прочитать в нашей отдельной статье.

Содержание:

Электродвигатель постоянного и переменного тока

История изобретения

Электродвигатель Якоби.

Для того чтобы понять принцип работы электрических двигателей постоянного тока (ДПТ) мы обратимся к истории его создания. Итак, первые опытные доказательства того, что электрическую энергию можно превращать в механическую, продемонстрировал Майкл Фарадей. В 1821 году он провел опыт с проводником, опущенным в сосуд, наполненный ртутью, на дне которого располагался постоянный магнит. После подачи электричества на проводник, тот начинал вращаться вокруг магнита, демонстрируя свою реакцию на имеющееся в сосуде магнитное поле. Эксперимент Фарадея не нашел практического применения, но доказал возможность создания электрических машин, и дал старт развитию электромеханики.

Первый электрический двигатель постоянного тока, в основу которого был положен принцип вращения подвижной части (ротора) был создан русским физиком-механиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Это устройство работало следующим образом:

1. После подачи питания вокруг якоря-ротора создавалось электромагнитное поле, чьи полюса располагались напротив друг друга по правилу буравчика и отклонялись от одноименных полюсов индуктора.
2. Перед тем, как электромагнитное поле якоря устанавливалось на максимальном приближении к разноименным полюсам индуктора, специальный коммутатор отключал питание, и якорь продолжал вращаться по инерции.
3. После того, как якорь выходил из-под полюсов индуктора, коммутатор включал питание с обратной полярностью и появившееся «перевернутое» электромагнитное поле отталкивалось от полюсов индуктора, делая полный оборот якоря.

   1-4 — металлические кольца, 5 — скользящий контакт, 6 — батарея

Описанный принцип использовался в двигателе, который Якоби установил на лодке с 12 пассажирами в 1839 году. Судно двигалось рывками со скоростью в 3 км/ч против течения (по другим данным — 4.5 км/ч), но успешно пересекло реку и высадило пассажиров на берег. В качестве источника питания использовалась батарея с 320 гальваническими элементами, а движение осуществлялось с помощью лопастных колес.

Дальнейшее изучение вопроса привело исследователей к разрешению массы вопросов, касаемо того, какие источники питания лучше использовать, как улучшить его рабочие характеристики и оптимизировать габариты.

В 1886 году Фрэнком Джулиан Спрэгом впервые был сконструирован электродвигатель постоянного тока, близкий по конструкции тем, которые применяются в наши дни. В нем был реализован принцип самовозбуждения и принцип обратимости электрической машины. К этому моменту все двигатели данного типа перешли на питание от более подходящего источника – генератора постоянного тока.

Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины

Устройство и принцип работы

В современных ДПТ используется все тот же принцип взаимодействия заряженного проводника с магнитным полем. С усовершенствованием технологий устройство лишь дополняется некоторыми элементами, улучшающими производительность. К примеру, в наши дни постоянные магниты используются лишь в двигателях низкой мощности, поскольку в крупных аппаратах они занимали бы слишком много места.

Основной принцип

Первоначальные прототипы двигателей данного типа были заметно проще современных аппаратов. Их примитивное устройство включало в себя лишь статор из двух магнитов и якорь с обмотками, на которые подавался ток. Изучив принцип взаимодействия магнитных полей, конструкторы определили следующий алгоритм работы двигателя:

1. Подача питания создает на обмотках якоря электромагнитное поле.
2. Полюса электромагнитного поля отталкиваются от одноименных полюсов поля постоянного магнита.
3. Якорь вместе с валом, на котором он закреплен, вращается в соответствии с отталкивающимся полем обмотки.

Данный алгоритм отлично работал в теории, однако на практике перед создателями первых двигателей вставали характерные проблемы, препятствовавшие функционированию машины:

• Мертвое положение, из которого двигатель невозможно запустить – когда полюса точно сориентированы друг перед другом.
• Невозможность пуска из-за сильного сопротивления или слабого отталкивания полюсов.
• Ротор останавливается после совершения одного оборота. Это связано с тем, что после прохождения половины окружности притягивание магнита не разгоняло, а тормозило вращение ротора.

Решение первой проблемы было найдено довольно быстро – для этого было предложено использовать более двух магнитов. Позднее в устройство двигателя стали включать несколько обмоток и коллекторно-щеточный узел, который подавал питание только на одну пару обмоток в определенный момент времени.

Коллекторно-щеточная система подачи тока решает и проблему торможения ротора – переключение полярности происходит до того момента, когда вращение ротора начинает замедляться. Это значит, что во время одного оборота двигателя происходит как минимум два переключения полярности.

Проблема слабых пусковых токов рассматривается ниже в отдельном разделе.

Конструкция

Итак, постоянный магнит закрепляется на корпусе двигателя, образуя вместе с ним статор, внутри которого располагается ротор. После подачи питания на обмотке якоря возникает электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с магнитным полем статора, это приводит к вращению ротора, жестко посаженного на вал. Для передачи электрического тока от источника к якорю двигатель оснащается коллекторно-щеточным узлом, состоящим из:

1. Коллектора. Он представляет собой токосъемное кольцо из нескольких секций, разделенных диэлектрическим материалом, подключается к обмоткам якоря и крепится непосредственно на валу двигателя.
2. Графитовых щеток. Они замыкают цепь между коллектором и источником питания с помощью щеток, которые прижимаются к контактным площадкам коллектора прижимными пружинами.

Обмотки якоря одними концами соединяются между собой, а другими – с секциями коллектора, образуя таким образом цепь, по которой ток идет по следующему маршруту: входная щетка –> обмотка ротора -> выходная щетка.

Приведенная принципиальная схема (рис. 3) демонстрирует принцип работы примитивного электродвигателя постоянного тока с коллектором из двух секций:

1. В этом примере мы будет считать стартовым положением ротора то, которое нарисовано на схеме. Итак, после подачи питания на нижнюю щетку, помеченную знаком «+», ток протекает по обмотке и создает вокруг нее электромагнитное поле.
2. По правилу буравчика в левой нижней части формируется северный полюс якоря, а на правой верхней – южный. Располагаясь вблизи одноименных полюсов статора, они начинают отталкиваться, приводя тем самым ротор в движение, которое продолжается до тех пор, пока противоположные полюса не окажутся на минимальном друг от друга расстоянии, то есть придут в окончательное положение (рис. 1).
3. Конструкция коллектора на данном этапе приведет к переключению полярности на обмотках якоря. В результате этого полюса магнитных полей снова окажутся на близком расстоянии и начнут отталкиваться.
4. Ротор совершает полный оборот, и коллектор снова меняет полярность, продолжая его движение.

Детали электродвигателя постоянного тока

Здесь, как уже было отмечено, продемонстрирован принцип работы примитивного прототипа. В настоящих двигателях используется более двух магнитов, а коллектор состоит из большего числа контактных площадок, благодаря чему обеспечивается плавное вращение.

В высокомощных двигателях использование постоянных магнитов не представляется возможным из-за их большого размера. Альтернативой для них служит система из нескольких токопроводящих стержней, на каждой из которых имеется своя обмотка, подключаемая к питающим шинам. Одноименные полюса включаются в сеть последовательно. На корпусе может присутствовать от 1 до 4 пар полюсов, а их количеству должно соответствовать число токосъемных щеток на коллекторе.

Электродвигатели, рассчитанные на большую мощность, обладают рядом функциональных преимуществ перед более «легкими» аналогами. К примеру, здешнее устройство токосъемных щеток поворачивает их на определенный угол относительно вала для компенсации торможения вала, названного «реакцией якоря».

Пусковые токи

Постепенное оснащение ротора двигателя дополнительными элементами, обеспечивающими его бесперебойную работу и исключающими секторальное торможение, возникает проблема его запуска. Но все это увеличивает вес ротора – с учетом сопротивления вала столкнуть его с места становится сложнее. Первым решением этой проблемы, приходящим в голову, может быть увеличение силы тока, подаваемой на старте, но это может привести к неприятным последствиям:

• защитный автомат линии не выдержит тока и отключится;
• провода обмотки сгорят от перегрузки;
• секторы переключения на коллекторе приварятся от перегрева.

Поэтому такое решение можно назвать скорее рискованной полумерой.

Вообще, данная проблема является главным недостатком электродвигателей постоянного тока, но включает в себя основное их преимущество, благодаря которому они незаменимы в некоторых областях. Преимущество это заключается в прямой передаче момента вращения сразу же после пуска – вал (если тронется с места) будет крутиться с любой нагрузкой. Двигатели переменного тока на такое не способны.

Решить эту проблему полностью до сих пор не удалось. На сегодняшний день для пуска таких двигателей используется автомат-стартер, чей принцип работы схож с автомобильной коробкой передач:

1. Сначала ток постепенно поднимается до пускового значения.
2. После «сдвига» с места значение тока резко падает и снова плавно поднимается «подгоняя вращение вала».
3. После подъема до предельного значения сила тока снова снижается и «подгоняется».

Данный цикл повторяется 3-5 раз (рис. 4) и решает необходимость старта двигателя без возникновения критических нагрузок в сети. Фактически, «плавный» запуск по-прежнему отсутствует, однако оборудование работает безопасно, а главное достоинство электродвигателя постоянного тока – крутящий момент – сохраняется.

Схемы подключения

Подключение ДПТ выполняется несколько сложнее, в сравнении с двигателями со спецификацией на переменный ток.

У двигателей высокой и средней мощности, как правило, есть специальные контакты обмотки возбуждения (ОВ) и якоря, вынесенные в клеммную коробку. Чаще всего на якорь подают выходное напряжение источника, а на ОВ – ток, отрегулированный, как правило, реостатом. Скорость вращения двигателя напрямую зависит от силы тока, поданного на обмотку возбуждения.

Есть три основные схемы включения якоря и обмотки возбуждения электродвигателей постоянного тока:

1. Последовательное возбуждение используется в моторах, от которых требуется большая сила тока на старте (электрический транспорт, прокатное оборудование и т.п.). Данная схема предусматривает последовательное подключение ОВ и якоря к источнику. После подачи напряжения по обмоткам якоря и ОВ проходят токи одинаковой величины.Следует учитывать, что снижение нагрузки на вал даже на четверть при последовательном возбуждении приведет к резкому повышению оборотов, что может привести к поломке двигателя, поэтому эта схема и используется в условиях постоянной нагрузки.
2. Параллельное возбуждение применяется в моторах, обеспечивающих работу станкового, вентиляторного и прочего оборудования, которое в момент пуска не оказывает высокую нагрузку на вал. В этой схеме для возбуждения ОВ используется независимая обмотка, регулируемая, чаще всего, реостатом.
3. Независимое возбуждение очень схоже с параллельным, но в данном случае для подачи питания ОВ используется независимый источник, что исключает появление электрической связи между якорем и обмоткой возбуждения.

В современных электрических двигателях постоянного тока могут применяться смешанные схемы, основанные на базе трех описанных.

Регулировка скорости вращения

Способ регулирования оборотов ДПТ зависит от схемы его подключения:

1. В моторах с параллельным возбуждением снижение оборотов относительно номинала можно производить изменяя напряжение якоря, а повышение – ослабляя поток возбуждения. Для увеличения оборотов (не более чем в 4 раза относительно номинальной величины) в цепь ОВ добавляется реостат.
2. При последовательном возбуждении регулировка легко осуществляется переменным сопротивлением в цепи якоря. Правда этот метод подходит только для снижения оборотов и лишь в соотношениях 1:3 или 1:2 (кроме того, это приводит к большим потерям в реостате). Повышение осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи ОВ.

Данные схемы редко применяются в современном высокотехнологичном оборудовании, поскольку обладают узким диапазоном регулировки и другими недостатками. В наши дни для этих целей все чаще создают электронные схемы управления.

Реверсирование

Для того чтобы реверсировать (обратить) вращение двигателя постоянного тока необходимо:

• при последовательном возбуждении – просто изменить полярность входных контактов;
• при смешанном и параллельном возбуждении – необходимо менять направление тока в обмотке якоря; разрыв ОВ может привести к критическому повышению нагнетаемой электродвижущей силы и пробою изоляции проводов.

Сфера применения

Как вы уже поняли, использование электродвигателей постоянного тока целесообразно в условиях, когда постоянное беспрерывное подключение к сети неосуществимо. Хорошим примером здесь может служить автомобильный стартер, толкающий двигатель внутреннего сгорания «с места», или детские игрушки с моторчиком. В данных случаях для запуска двигателя используются аккумуляторные батареи. В промышленных целях ДПТ применяются на прокатных станах.

Основная же сфера применения ДПТ – электрический транспорт. Пароходы, электровозы, трамваи, троллейбусы и другие аналогичные имеют очень большое пусковое сопротивление, преодоление которого возможно только с помощью двигателей постоянного тока с их мягкими характеристиками и широкими пределами регулировки вращения. С учетом стремительного развития и популяризации экологических транспортных технологий, сфера применения ДПТ лишь увеличивается.

Самый простой щёточно-коллекторный узел

Достоинства и недостатки

Резюмируя все вышесказанное, можно описать характерные для электродвигателей постоянного тока достоинства и недостатки относительно их аналогов, рассчитанных на работу от переменного тока.

Основные достоинства:

• ДПТ незаменимы в ситуациях, когда необходим сильный пусковой момент;
• скорость вращения якоря легко регулируется;
• двигатель постоянного тока является универсальной электрической машиной, то есть может применяться в качестве генератора.

Главные недостатки:

• ДПТ имеют высокую производственную стоимость;
• использование щеточно-коллекторного узла приводит к необходимости частого техобслуживания и ремонта;
• для работы нужен источник постоянного тока или выпрямители.

Электродвигатели постоянного тока, безусловно, проигрывают своим «переменным» сородичам по стоимости и надежности, однако используются и будут использоваться, поскольку плюсы от их использования в определенных сферах категорические перечеркивают все минусы.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя. 

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла. 

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего  номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют  двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя. 

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине  скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для  применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ. 

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Двигатели постоянного тока

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

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

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

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

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

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

Давайте узнаем, как они образуются.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подведем итоги урока.

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

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

И познакомились с устройством настоящего рабочего электродвигателя.

Асинхронный электродвигатель постоянного тока 220В и 380В.

Электродвигатель – машина, преобразовывающая энергию электромагнитного поля во вращательное движение (электрический двигатель). Это, пожалуй, наиболее гениальное изобретение, позволившее человечеству сделать цивилизационный скачок в индустриальное общество. Коэффициент его полезного действия составляет 95-98 процентов.

Основа принципа действия

В основе принципа действия любого электрического двигателя лежит феномен электромагнитной индукции. Если скрутить любой проводник в кольцо и через него протащить магнит, то в нем возникнет электрический ток, направление течения которого будет противоположно движению магнита. Верно и обратное: прохождение электричества через проводник вызывает индуцирование ЭДС в металлическом стержне.

Этот эффект был открыт в 1832 году английским физиком Майклом Фарадеем, создавшим прибор, состоящий из постоянного магнита и бронзового диска, помещенного между его полюсами. При вращении диска с подключенных к нему проводов снималось небольшое напряжение и переменный ток большой силы. Поэтому диск Фарадея называют еще и униполярным генератором, который при всей архаичности конструкции до сих пор используется. Например, в установках ТОКАМАК для разогрева плазмы и рельсотронах – разновидности оружия.

Электрический двигатель постоянного тока

Если к диску Фарадея подключить гальваническую батарею, то он совершит один оборот – до того момента, как совпадут разноименные полюса – ее и магнита. Электродвигатель постоянного тока в своей работе использует эффект отталкивания одноименных полюсов магнита. Чтобы вращение стало непрерывным, на его роторе закреплено особое устройство (коллектор) – кольцо из металла, поделенное на сектора диэлектриком.

Питающее напряжение подводится к коллектору посредством скользящих контактов – щеток. Когда вал машины поворачивается, сектора коллектора меняются местами и полюса остаются разноименными. Поэтому вращение продолжается. Скорость вращения ротора машин постоянного тока зависит от количества обмоток на нем. Каждая из них представляет собой своеобразный диск Фарадея и подключена к своей паре пластин коллектора.

Если ее мощность электрической машины невелика, то статорные магниты делают из природного металла с соответствующими свойствами. В промышленных машинах постоянного тока используются электромагниты – катушки из проводников. Они питаются тем же напряжением, что и катушки ротора.

Двигатели переменного тока

Конструкция электродвигателя переменного потом электроэнергии выглядит как бы вывернутой наизнанку по отношению к машинам постоянного тока. Питающее напряжение в нем подводится к статорным обмоткам, а принцип действия основан не на отталкивании одноименных полюсов магнита, а на притягивании имеющих противоположный знак.

Магнитное поле статора машины переменного тока вращается. Этот феномен возникает в результате сложения векторов магнитной индукции нескольких переменных токов, фазы синусоид которых сдвинуты друг относительно друга на некоторый угол – 90⁰, если питание двухфазное, и 60⁰ при трехфазном напряжении. Величины углов объясняются просто: отдельная обмотка генератора переменного тока состоит из двух катушек, а на статоре они расположены диаметрально противоположно. Если поделить 360⁰ на четыре (две обмотки) или на шесть (три обмотки), то получим исходные значения.

Магнитное поле ротора индуцируется  энергией в статорных обмотках и имеет два свойства:

1. Оно противоположно статорному по знаку.
2. Отстает от статорного, поскольку на его индукцию требуется некоторое время, а сам ротор имеет физический вес и по этой причине обладает моментом инерции.

Полюса магнитного поля ротора стремятся притянуться к противоположным полюсам статорного, но эта своеобразная погоня никогда не может закончиться по двум причинам:

1. Линейная скорость ротора ниже из-за разницы в размерах.
2. Существуют потери энергии в воздушном зазоре между деталями машины.

Угол рассогласования между ротором и статором достигает 18⁰, из-за его наличия электродвигатели переменного электричества называют асинхронными.

Наиболее распространенной конструкцией является электрическая машина, обмотка ротора которой состоит из нескольких проводников, замкнутых двумя металлическими кольцами. По форме она похожа на так называемое беличье колесо. Таковы все общепромышленные электродвигатели. Они просты, но имеют неустранимый недостаток: большие пусковые токи, которые приводят к перегрузкам в сети и авариям.

Двигатели с фазным ротором запускаются плавно, без перегрузок, но они сложны и дороги. Применяются для обеспечения больших тяговых усилий. Например, в крановом оборудовании или на электротранспорте.

Видео — как работает Электродвигатель:

Как правильно эксплуатировать электродвигатель

Асинхронный электродвигатель на сегодня является наиболее широко используемым двигателем в промышленности и строительстве. Чтобы устройство было всегда в форме и не пришлось его отправлять на свалку в результате преждевременного износа, хорошие хозяева проявляют заботу о нём и эксплуатируют правильно. В этой статье мы обсудим, как правильно эксплуатировать электродвигатель во избежание возникновения неполадок при его работе.

Условия работы электрического двигателя

Электрический двигатель будет в полной мере соответствовать характеристикам, указанным в паспорте, если его, прежде всего, правильно установить и использовать. Условия обеспечения номинальных параметров двигателем следующие:

— колебания напряжения питающей сети электрического тока, к которой подключен агрегат, не должны превышать 5% от номинала;

— максимально допустимая температура воздуха, окружающего конструкцию, должна быть не более +350 С;

— во избежание перегрузки мотора необходимо следить за показаниями амперметра, не допуская увеличения силы тока более 5% от номинала;

— корпус устройства надежно следует заземлить и регулярно проверять сопротивления заземления;

— конструктивные элементы, изготовленные из коррозируемых материалов, необходимо покрыть краской. Коррозия всегда начинается на поверхности металла, а затем распространяется вглубь, ухудшая механические свойства материала;

— кабельные сети, по которым поступает питающее напряжение, следует надёжно изолировать и защитить от случайных механических повреждений. Подключение выполнить напрямую к контактным зажимам двигателя, находящимся в коробке.

Элементарные правила эксплуатации в отношении своего двигателя

Правильная эксплуатация электродвигателя обеспечивает его надёжную работу в течение всего установленного ресурса. До включения устройства в работу обязательно проверить:

— чистоту и отсутствие ненужных предметов на корпусе и рядом;

— состояние заземления;

— качество крепления статора.

Первый запуск электродвигателя лучше доверить специалисту, который будет обслуживать все движущиеся механизмы.

Рекомендации по эксплуатации асинхронных электродвигателей:

1. У работающего двигателя основные электрические и механические показатели должны быть следующими:

— температура нагрева статора не более 900 С;

— вибрация в пределах нормы, а именно в соответствии с количеством оборотов двигателя;

— вращение ротора бесшумное, без скачков;

— установленная заводом-изготовителем величина нагрузки;

— отсутствие искрения щёток у коллекторных двигателей.

1. Защита электрических цепей осуществляется плавкими вставками. Значение тока по номиналу пишется на вставке.

2. Аварийное отключение электродвигателя производится в следующих случаях:

— появился сильный запах горения, дым, искры, огонь;

— повышенный уровень вибрации, из-за которого возможно разрушение двигателя;

— выход из строя электропривода;

— резкое снижение оборотов и повышенный нагрев.

Владелец также обязан планировать профилактические ремонты, которые повышают надёжность оборудования.

Некоторые двигатели используются крайне редко. Как поступать в этом случае? Рекомендуется постоянно осматривать, проверять сопротивление изоляции и запускать устройства, что позволит при необходимости без промедления их использовать.

Вывод

Конструкция асинхронного электродвигателя простая и надёжная. И, если соблюдать правила эксплуатации, в том числе не превышать основные электрические и механические параметры, установленные изготовителем, то срок его службы можно будет увеличить.

Электродвигатели

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Принцип действия двигателя постоянного тока: конструкция и особенности

Главной конструктивной и характерной принадлежностью машины постоянного тока, служит использование для присоединения к электрической сети коммутатора, предназначенного для преобразования величин постоянного тока в переменный ток. Коммутатор является непременным элементом любой машины этого типа ввиду того, что ее якорная обмотка двигателя подразумевает наличие переменного тока.

Особенности двигателя постоянного тока

Двигательные устройства постоянного тока отличаются широкими возможностями регулирования скорости вращения и обладают способностью сохранять во всем диапазоне регулирования высокий КПД, а также имеют в наличии механические характеристики, благодаря которым двигатели могут использоваться по специальному назначению, в соответствии с необходимыми требованиями.

Принцип работы

Функционально двигатель принадлежит к классу синхронных машин обращенного типа, это объясняется тем, что статор и ротор поменяли выполнение задач. Статор выполняет функции по возбуждению магнитного поля, ротор принял задачи направленные на преобразование энергии.

Во время вращения якоря в магнитном поле, производимым статором в витках обмотки, наводится ЭДС. Направление ее движения находится по правилу правой руки.

После того, как якорь и коллектор повернутся на 180 градусов виток меняет свои стороны, на противоположное направление меняется движение ЭДС.

Так происходит процесс индуцирования переменной электродвижущей силы, выпрямляемой посредством коллектора.

Коллектор, через щеточный механизм, соединен с обеими сторонами витка, в результате этого происходит снятие щетками текущего в неизменном направлении пульсирующего напряжения, это способствует наличию во внешней цепи, идущего в постоянном направлении, пульсирующего тока. Для того, чтобы снизить пульсацию в пазах якоря, прибавляют добавочное количество витков.

Конструкция двигателя

Двигатель, как и любая другая машина этого типа, содержит в своей конструкции статор, являющегося неподвижным элементом, и ротор (якорь) – вращающийся элемент машины, между ними находится воздушный зазор. В якоре двигателя происходит индуцирование ЭДС. Создание основного магнитного поля происходит при помощи главных полюсов, состоящих из сердечников и катушек возбуждения.

Равномерное распределение полученной магнитной индукции в области воздушного зазора обеспечивается полюсными наконечниками.

Чередование полярности полюсов во время движения электрического тока достигается за счет соединения катушек главных полюсов в обмотку возбуждения. Для улучшения коммутации предусмотрены добавочные полюса.

Уменьшение вихревых токов, которые появляются в результате перемагничивания якоря в процессе его вращения в созданном магнитном поле, происходит за счет конструкции сердечника, исполненного из пластин электротехнической стали, для большего эффекта он покрывается специальным лаком.

Контакт внешней цепи машины с коллектором осуществляется за счет щеток, основным материалом для них является графит.

Область применения

Несмотря на то, что себестоимость этого типа двигателя намного дороже асинхронных машин, их особенности могут сыграть решающую роль в узкоцелевом специальном назначении.

С помощью таких двигателей приводятся в работу прокатные станы, они используются для привода гребного винта на кораблях, а также для транспортных средств, имеющих систему питания на постоянном токе.

Поэтому их область использования характерна для нужд там, где необходима электрическая тяга, это: тепловозы, электровозы, электропоезда, городской транспорт, то есть там, где необходимо применить мягкие механические характеристики и широкие пределы регулировки количества оборотов вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Двигатели постоянного тока

| Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Электродвигатели, работающие на электромагнетизме. Однако существуют и другие типы двигателей, в которых используются электростатические силы или пьезоэлектрический эффект. В случае двигателя PMDC (постоянного магнита постоянного тока) движение создается электромагнитом (якорем), взаимодействующим с магнитом с фиксированным полем (корпус в сборе).

В щеточном двигателе электрический ток протекает через клеммы двигателя в узле торцевой крышки, который входит в контакт с коммутатором в узле якоря через угольные щетки или щеточные листы.Электрический ток питает катушки, создавая магнитное поле, заставляющее якорь вращаться, когда он взаимодействует с магнитами, заключенными в корпус в сборе. Правило левой руки Флемминга помогает определить направление силы, тока и магнитного потока.

В бесщеточном двигателе, когда электричество подается на вывод двигателя, ток течет через фиксированное поле статора и взаимодействует с движущимся постоянным магнитом или движущимся индуцированным магнитным полем внутри ротора / якоря.После того, как движение и силовая нагрузка будут удовлетворены доступным источником тока, он возвращается обратно к источнику, выходящему из двигателя.

Ключевые элементы, взаимодействующие для создания движения

Магнитный поток — Двигатель может иметь катушку с фиксированной обмоткой или статор с постоянным магнитом и якорь с подвижной обмоткой или ротор с постоянными магнитами, которые будут иметь взаимодействующие поля магнитного потока для создания силы и движения.

Сила — Величина тока, протекающего через электромагнитное поле, пропорциональна величине силы взаимодействующего электромагнитного поля, необходимой для достижения противоположной рабочей нагрузки.Помимо силы и движения, необходимых для устройства, необходимо учитывать любую потерю эффективности при преобразовании электроэнергии в механическую работу (ватты).

Обзор шагового двигателя

Что такое шаговый двигатель

Шаговые двигатели работают иначе, чем другие двигатели постоянного тока, которые просто вращаются при подаче напряжения. Вращательный шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое может разделить один полный оборот (360 °) на большое количество шагов вращения. Шаговые двигатели управляются электроникой и не требуют дорогостоящих устройств обратной связи.Линейный шаговый двигатель подобен вращающемуся двигателю, за исключением того, что вал движется линейно или продольно. Оба типа имеют две схемы обмотки для своих электромагнитных катушек: униполярную и биполярную. Униполярный означает, что каждый конец катушки имеет одну полярность. Рекомендуемый стабилитрон используется для обеспечения быстрого спада тока в отключенной катушке. Это приведет к увеличению крутящего момента двигателя, особенно на более высоких частотах.

Биполярный означает, что каждый конец катушки имеет обе полярности.Катушка будет положительной и отрицательной во время каждого цикла движения. Поскольку каждая катушка используется полностью, двигатель имеет более высокий крутящий момент по сравнению с униполярной катушкой. Биполярный драйвер может включать в себя возможность управления постоянным током, называемую приводом прерывателя. Это обеспечит увеличенный выходной крутящий момент на более высоких частотах и ​​снизит влияние колебаний температуры и напряжения питания.

Основы шагового двигателя

Шаговый двигатель PM или «консервная банка» — недорогое решение для ваших приложений позиционирования с типичным углом шага 7.5 ° — 15 °. Меньшие углы шага можно получить с помощью Microstepping. Вал двигателя перемещается с определенным шагом при подаче электрических управляющих импульсов. Текущая полярность и частота подаваемых импульсов определяют направление и скорость движения вала.

Одним из наиболее значительных преимуществ шагового двигателя является его способность точно регулироваться в системе с разомкнутым контуром. Управление без обратной связи означает, что обратная связь о положении вала не требуется.Этот тип управления устраняет необходимость в дорогостоящих устройствах обратной связи, просто отслеживая входные ступенчатые импульсы. Шаговый двигатель — хороший выбор, когда требуется контролируемое движение. Они рекомендуются в приложениях, где нужно контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизм. Возможности фиксации, удержания, втягивания и извлечения крутящего момента, скорости (об / мин) и шагов на оборот (угол шага) характеризуют шаговый двигатель.

Момент фиксации — определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен к обесточенному двигателю, не вызывая вращения двигателя.

Удерживающий момент — определяет максимальный крутящий момент, с которым двигатель, находящийся под напряжением, может быть нагружен, не вызывая вращательного движения.

Pull-In — производительность определяет способность двигателя запускаться или останавливаться. Это максимальная частота, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно с приложенной нагрузкой без потери синхронизации.

Pull-Out определяет максимальный крутящий момент при применении рампы ускорения / замедления без потери шагов.Он определяет максимальную частоту, на которой двигатель может работать без потери синхронизма.

Наш шаговый двигатель можно комбинировать с полной линейкой редукторов для увеличения крутящего момента и снижения скорости.

Как работает двигатель постоянного тока?

Теоретически одна и та же машина постоянного тока может использоваться в качестве двигателя или генератора. Следовательно, конструкция двигателя постоянного тока такая же, как и у генератора постоянного тока.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Электродвигатель — это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.Основной принцип работы двигателя постоянного тока : « всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу». Направление этой силы задается правилом левой руки Флеминга, а ее величина определяется как F = BIL. Где B = плотность магнитного потока, I = ток и L = длина проводника в магнитном поле.

Правило левой руки Флеминга : Если мы вытянем первый, второй и большой пальцы левой руки перпендикулярно друг другу, а направление магнитного поля будет представлено первым пальцем, направление тока будет представлено как второй палец, затем большой палец представляет направление силы, действующей на проводник с током.

Анимация: Работа двигателя постоянного тока (предоставлено Lookang)

Приведенная выше анимация помогает понять принцип работы двигателя постоянного тока . Когда обмотки якоря подключены к источнику постоянного тока, в обмотке возникает электрический ток. Магнитное поле может создаваться обмоткой возбуждения (электромагнетизм) или постоянными магнитами. В этом случае проводники якоря с током испытывают силу магнитного поля в соответствии с принципом, изложенным выше.

Коммутатор

выполнен сегментированным для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы каждый раз, когда направление движения проводника менялось на противоположное в магнитном поле. Так работает двигатель постоянного тока !

Задняя ЭДС

Согласно фундаментальным законам природы, преобразование энергии невозможно, пока есть что-то, что препятствует преобразованию. В случае генераторов это противодействие обеспечивается магнитным сопротивлением, а в случае двигателей постоянного тока — противоэдс .

Когда якорь двигателя вращается, проводники также разрезают линии магнитного потока и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в проводниках якоря индуцируется ЭДС. Направление этой наведенной ЭДС таково, что она противодействует току якоря (I _a ). На схеме ниже показано направление обратной ЭДС и тока якоря. Величина обратной ЭДС может быть задана уравнением ЭДС генератора постоянного тока.

Значение обратной ЭДС:

Величина обратной ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя. Представьте, что нагрузка на двигатель постоянного тока внезапно снизилась. В этом случае требуемый крутящий момент будет мал по сравнению с текущим крутящим моментом. Скорость двигателя начнет увеличиваться из-за превышения крутящего момента. Следовательно, величина обратной ЭДС пропорциональна скорости. С увеличением обратной ЭДС ток якоря начнет уменьшаться. Поскольку крутящий момент пропорционален току якоря, он также будет уменьшаться, пока не станет достаточным для нагрузки.Таким образом, скорость мотора будет регулироваться.

С другой стороны, если двигатель постоянного тока внезапно нагружается, эта нагрузка вызовет снижение скорости. Из-за уменьшения скорости обратная ЭДС также уменьшится, что приведет к увеличению тока якоря. Повышенный ток якоря увеличит крутящий момент, чтобы удовлетворить требованиям нагрузки. Следовательно, наличие обратной ЭДС делает двигатель постоянного тока «саморегулирующимся» .

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока обычно классифицируются в зависимости от конфигурации возбуждения:

• С отдельным возбуждением (обмотка возбуждения питается от внешнего источника)
• Самовозбуждение —
• Последовательная обмотка (обмотка возбуждения включена последовательно с якорем)
• Шунтирующая обмотка (обмотка возбуждения включена параллельно якорю)
• Сложная рана —

См. Схему классификации машин постоянного тока здесь.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока — это устройство, преобразующее постоянный ток в механическую работу. Он работает по принципу закона Лоренца, который гласит, что « проводник с током, помещенный в магнитное и электрическое поле, испытывает силу ». Опытная сила называется силой Лоренца. Правило левой руки Флемминга определяет направление силы.

Правило левой руки Флеминга

Если большой, средний и указательный пальцы левой руки смещены друг относительно друга на угол 90 °, средний палец представляет направление магнитного поля.Указательный палец показывает направление тока, а большой палец показывает направление сил, действующих на проводник.

Формула рассчитывает величину силы,

Прежде чем понять принцип работы двигателя постоянного тока, мы должны сначала узнать о его конструкции. Якорь и статор — две основные части двигателя постоянного тока. Якорь — это вращающаяся часть, а статор — их неподвижная часть. Катушка якоря подключена к источнику постоянного тока.

Катушка якоря состоит из коммутаторов и щеток. Коммутаторы преобразуют переменный ток, индуцированный в якоре, в постоянный, а щетки передают ток от вращающейся части двигателя к неподвижной внешней нагрузке. Якорь размещается между северным и южным полюсами постоянного или электромагнита.

Для простоты предположим, что якорь имеет только одну катушку, которая расположена между магнитным полем, показанным ниже на рисунке A.Когда на катушку якоря подается постоянный ток, через нее начинает течь ток. Этот ток создает вокруг катушки собственное поле.

На рисунке B показано поле, индуцируемое вокруг катушки:

В результате взаимодействия полей (создаваемых катушкой и магнитом) результирующее поле развивается поперек проводника. Результирующее поле стремится вернуться в исходное положение, то есть на оси основного поля. Поле оказывает силу на концах проводника, и, таким образом, катушка начинает вращаться.

Пусть поле, создаваемое основным полем, будет F _м , и это поле вращается по часовой стрелке. Когда в катушке течет ток, они создают собственное магнитное поле, скажем, F _r . Поле F _r пытается продвинуться в направлении основного поля. Тем самым крутящий момент действует на катушку якоря.

Настоящий двигатель постоянного тока состоит из большого количества катушек якоря. Скорость двигателя прямо пропорциональна количеству катушек, используемых в двигателе. Эти катушки удерживаются под воздействием магнитного поля.

Один конец проводов находится под влиянием северного полюса, а другой конец — под влиянием южного полюса. Ток входит в катушку якоря через северный полюс и движется наружу через южный полюс.

Когда катушка перемещается от одной щетки к другой, одновременно меняется и полярность катушки. Таким образом, направление силы или крутящего момента, действующего на катушку, остается неизменным.

Вращающий момент, создаваемый в катушке, становится нулевым, когда катушка якоря перпендикулярна основному полю. Нулевой крутящий момент означает, что двигатель перестает вращаться. Для решения этой проблемы в роторе используется номер обмотки якоря. Таким образом, если одна из их катушек перпендикулярна полю, то другие катушки создают крутящий момент. И ротор движется непрерывно.

Кроме того, для получения постоянного крутящего момента конструкция сохраняется таким образом, что всякий раз, когда катушки пересекают магнитную нейтральную ось магнита, направление тока в катушках меняет направление на обратное.Это можно сделать с помощью коммутатора.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока — это электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую энергию .

Работа двигателя постоянного тока основана на том принципе, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Направление механической силы задается правилом левой руки Флеминга , а ее величина определяется как F = BIL Ньютон.

Принципиальной разницы в конструкции генератора постоянного тока и двигателя постоянного тока нет. Фактически, одна и та же машина постоянного тока может использоваться взаимозаменяемо как генератор или как двигатель.

Как и генераторы, существуют различные типы двигателей постоянного тока, которые также подразделяются на с параллельной обмоткой, с последовательной обмоткой и с комбинированной обмоткой .

Двигатели постоянного тока редко используются в обычных приложениях, потому что все компании, занимающиеся электроснабжением, поставляют переменный ток.

Однако для специальных применений, таких как сталелитейные заводы , шахты и электропоезда , выгодно преобразовывать переменный ток в постоянный, чтобы использовать двигатели постоянного тока.Причина в том, что скорость / крутящий момент характеристики двигателей постоянного тока намного превосходят характеристики двигателей переменного тока.

Поэтому неудивительно, что для промышленных приводов двигатели постоянного тока так же популярны, как и трехфазные асинхронные двигатели.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Машина, преобразующая электрическую мощность постоянного тока в механическую, называется двигателем постоянного тока.

Работа двигателя постоянного тока основана на том принципе, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует механическая сила.

Направление этой силы задается правилом левой руки Флеминга , а величина — выражением;

F = BIL Ньютоны

Согласно правилу левой руки Флеминга, когда электрический ток проходит через катушку в магнитном поле, магнитная сила создает крутящий момент, который вращает двигатель постоянного тока.

Направление этой силы перпендикулярно как проводу, так и магнитному полю.

Правило левой руки Flemings

В принципе, конструктивных различий между двигателем постоянного тока и генератором постоянного тока нет.Та же машина постоянного тока может работать как генератор или двигатель.

Поперечное сечение машины постоянного тока

Работа двигателя постоянного тока

Рассмотрим часть многополюсного двигателя постоянного тока , как показано на рисунке ниже. Когда клеммы двигателя подключены к внешнему источнику питания постоянного тока:

,

,
• , полевые магниты , возбуждаются, образуя чередующиеся северный и южный полюса
,
• , проводники якоря , проводят ток.

Часть многополюсного двигателя постоянного тока

Все проводники под северным полюсом переносят ток в одном направлении, а все проводники под южным полюсом несут токи в противоположном направлении.

Проводники якоря под N-полюсом переносят токи в плоскость бумаги (обозначенную на рисунке как). А проводники под S-полюсом выводят токи из плоскости бумаги (обозначенной на рисунке как ⨀).

Поскольку каждый проводник якоря проводит ток и находится в магнитном поле, на него действует механическая сила .

При применении правила левой руки Флеминга становится ясно, что сила, действующая на каждый проводник, имеет тенденцию вращать якорь против часовой стрелки.Все эти силы складываются, чтобы создать крутящий момент , приводящий к вращению якоря.

Когда проводник перемещается от одной стороны щетки к другой, ток в этом проводнике меняется на противоположный. В то же время он попадает под влияние следующего полюса противоположной полярности. Следовательно, направление силы на проводник остается таким же, как .

Следует отметить, что функция коммутатора в двигателе такая же, как и в генераторе.Путем реверсирования тока в каждом проводнике, когда он проходит от одного полюса к другому, это помогает развивать непрерывный и однонаправленный крутящий момент .

Видео Анимация

Далее: Противо-ЭДС в двигателе постоянного тока

Двигатели постоянного тока — принципы работы

В любом электродвигателе принцип действия основан 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 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 (а.к.а., 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 двигаются 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 большинство малых 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 ( одно и тоже 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 Мабучи, см. 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 арматура становится полый, и постоянный магнит может быть установлен внутри обмотки 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 разборка бесстержневого двигателя 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 ) трехполюсный 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 мощность. 2. Следующие 3 абзаца довольно свободно заимствовать из материала по ряду страниц MicroMo Веб-сайт. Это отличный сайт, и дает более подробные сведения о нюансах и выходы из конструкции двигателя без сердечника и представление. Особое внимание следует уделить на свои страницы на Motor Строительство и на разработка электродвижущей силы .

Принцип работы двигателя постоянного тока

Здравствуйте, друзья, мы делаем серию блогов о двигателях постоянного тока. В этом первом блоге мы говорим о принципе работы двигателя постоянного тока, как они работают? Также мы поговорим о конструкции двигателя постоянного тока.

Что такое двигатель постоянного тока?

Двигатель постоянного тока — это двигатель, который преобразует постоянный ток в механическую работу.Он работает по принципу закона Лоренца, который гласит, что «проводник с током, помещенный в магнитное и электрическое поле, испытывает силу». И эта сила — сила Лоренца.

Типы двигателей постоянного тока

Существует 4 основных типа двигателей постоянного тока, а именно:

Двигатель постоянного тока серии
• Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом
• Шунтирующий / параллельный двигатель постоянного тока
• Комбинированные двигатели постоянного тока

ДОЛЖЕН ПРОЧИТАТЬСЯ НА ДВИГАТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА:

Конструкция двигателя постоянного тока

Прежде чем понять принцип работы двигателей постоянного тока, мы должны узнать об их конструкции.Есть две основные части двигателя постоянного тока.

Вращающаяся часть — это якорь, а Статор — их неподвижная часть. Катушка якоря подключена к источнику постоянного тока.

Катушка якоря состоит из коммутаторов и щеток. Коммутатор преобразует переменный ток в якоре в постоянный ток, а щетки передают ток от вращающейся части двигателя к неподвижной внешней нагрузке. Якорь располагается между северным и южным полюсами постоянного или электромагнита.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока — это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Основной принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник с током оказывается в магнитном поле, он испытывает механическую силу.

Правило левой руки Флеминга и его величина определяют направление этой силы.

Правило левой руки Флеминга :

Если мы растянем первый, второй и большой пальцы левой руки так, чтобы они были перпендикулярны друг другу, и первый палец представляет направление магнитного поля, второй палец представляет направление тока, тогда большой палец представляет направление силы, действующей на проводник с током.

F = BIL Ньютонов

Где,

B = плотность магнитного потока,

I = ток и

L = длина проводника в магнитном поле.

Когда обмотка якоря подключена к источнику постоянного тока, в обмотке возникает электрический ток. Постоянные магниты или обмотка возбуждения (электромагнетизм) создают магнитное поле. В этом случае проводники якоря с током испытывают силу магнитного поля в соответствии с принципом, изложенным выше.

Коммутатор сделан сегментированным для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы каждый раз, когда направление движения проводника менялось в магнитном поле. Вот как работает двигатель постоянного тока!

Противо-ЭДС двигателя постоянного тока

Согласно фундаментальному закону природы, преобразование энергии невозможно, пока не появится что-то, что препятствует преобразованию. В случае генераторов магнитное сопротивление обеспечивает это противодействие, но в случае двигателей постоянного тока возникает обратная ЭДС.Наличие обратной ЭДС делает двигатель постоянного тока «саморегулирующимся».

Когда якорь двигателя вращается, проводники также разрезают линии магнитного потока и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в проводниках якоря индуцируется ЭДС.

Направление этой наведенной ЭДС таково, что она противодействует току якоря (I _a ). На схеме ниже показано направление обратной ЭДС и тока якоря.

Значение обратной ЭДС

Величина обратной ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя.Представьте, что нагрузка на двигатель постоянного тока внезапно снизилась. В этом случае требуемый крутящий момент будет мал по сравнению с текущим крутящим моментом. Скорость двигателя начнет увеличиваться из-за превышения крутящего момента. Следовательно, величина обратной ЭДС пропорциональна скорости. С увеличением обратной ЭДС ток якоря начнет уменьшаться. Поскольку крутящий момент пропорционален току якоря, он также будет уменьшаться, пока не станет достаточным для нагрузки. Таким образом, скорость мотора будет регулироваться.

С другой стороны, если двигатель постоянного тока внезапно нагружается, эта нагрузка вызовет снижение скорости. Из-за уменьшения скорости уменьшается и обратная ЭДС, что позволяет увеличить ток якоря. Из-за увеличения тока якоря крутящий момент будет увеличиваться для удовлетворения требований нагрузки.

Надеюсь, эта статья поможет вам понять принцип работы двигателя постоянного тока.

Мы в Robu.in надеемся, что вам было интересно, и что вы вернетесь к другим нашим образовательным блогам.

Общие принципы работы (двигатели и приводы)

Основные компоненты

В любом двигателе постоянного тока есть две основные цепи: якорь (вращающееся устройство, иногда называемое ротором) и поле (неподвижная часть, иногда называемая статором). Два компонента магнитно взаимодействуют друг с другом, вызывая вращение якоря. Мы более подробно рассмотрим каждую из частей и то, как они взаимодействуют.
Рисунок 3-1 показывает очень упрощенный вид основных частей двигателя постоянного тока.
Как видно на рис. 3-1, якорь и поле представляют собой две отдельные цепи и физически расположены рядом друг с другом, что способствует магнитному взаимодействию.

Рисунок 3-1. Основные части двигателя постоянного тока
Якорь имеет составную часть, называемую коммутатором. Коммутатор действует как электрический переключатель, всегда переключающий полярность магнитного потока, чтобы обеспечить «отталкивающую» силу. Якорь вращается в результате отталкивающего движения, создаваемого магнитным потоком якоря, в противоположность магнитному потоку, создаваемому обмоткой возбуждения.
Физическое подключение напряжения к якорю осуществляется с помощью устройства, называемого щетками. Щетки изготовлены из углеродного материала, который постоянно контактирует с пластинами коллектора якоря. Щетки обычно подпружинены для обеспечения постоянного давления щетки на пластины коллектора. На рис. 3-2 показано электрическое соединение якоря и обмотки возбуждения.

Рисунок 3-2. Якорь и полевые соединения
Как видно на Рисунке 3-2, выводы выведены от обмоток и обычно заканчиваются в распределительной коробке.IF указывает соединение обмотки возбуждения, а IA указывает соединение якоря. (Примечание: «I» обозначает ток, означающий «силу тока».)

Рисунок 3-3. Конструкция якоря
Устройство якоря будет выглядеть так, как показано на Рисунке 3-3.
Обмотки вставлены в пазы якоря. Эти прорези образованы серией железных «пластин», соединенных эпоксидной смолой в длинный узкий блок. Эти пазы фактически перекошены, чтобы обеспечить плавное вращение на очень низких скоростях.(Магнитный поток имеет тенденцию «прыгать» от поля к полю. Когда это происходит, результатом является рывковое движение. Когда обмотки расположены под углом, магнитное взаимодействие между якорем и обмоткой возбуждения ослабляется, и рывки уменьшаются. значительно уменьшено.)
Многие производители на самом деле имеют продольные отверстия вокруг внутреннего центра якоря. Это позволяет дополнительному охлаждающему воздуху проходить через якорь, уменьшая перегрев. Щетки контактируют с коммутатором, диаметр которого немного меньше по сравнению с основным корпусом устройства (правая часть фото).
Вокруг якоря имеется множество катушек (обмоток), обеспечивающих максимальный крутящий момент. Полярность катушек якоря должна быть изменена в точное время, чтобы гарантировать продолжение отталкивающего действия. Это действие называется коммутацией и происходит, когда правильно выровненные щетки контактируют с коммутатором.
Специальные обмотки, называемые коммутационными обмотками, устанавливаются между полюсами магнитного поля для выравнивания магнитного поля, протекающего через якорь. Если бы эти обмотки не были установлены, возникло бы искажение или изгиб магнитного потока, что привело бы к снижению крутящего момента двигателя.На рисунке 3-4 показано расположение коммутационных обмоток.

Рисунок 3-4. Коммутационные обмотки
По мере износа щеток от постоянного контакта с пластинами коммутатора возникает дуга. Дугообразование можно уменьшить, используя коммутационные обмотки, но некоторое искрение все же возникает. Чтобы уменьшить искрение, которое приводит к снижению производительности, требуется замена щеток. Замена является частью любой программы планового профилактического обслуживания (PM).
Блок намотки возбуждения устроен почти так же, с металлическими пластинами, составляющими основную часть устройства.Обмотки вставляются вдоль обмоток. Пластины железа имеют тенденцию увеличивать силу магнитного потока. На Рис. 3-5 показана типовая конструкция обмотки возбуждения двигателя.
Есть дополнительные обмотки, которые устанавливаются на магнитные полюса обмоток возбуждения. Эти обмотки называются компенсационными обмотками и имеют тенденцию сглаживать поток поля через полюс. Без компенсационных обмоток левая сторона северного полюса стала бы насыщенной из-за дополнительных магнитных полей, создаваемых якорем.На рисунке 3-6 показано расположение этих обмоток.
Здесь следует отметить, что существует другой тип двигателя постоянного тока, в котором вместо обмоток возбуждения используются постоянные магниты. Эти типы двигателей, обозначенные как двигатели постоянного тока «PM», не нуждаются в отдельном возбудителе или источнике питания для генерации магнитного потока поля. Нужен только источник питания для якоря. При наличии напряжения питания якоря двигатель постоянного тока с постоянными магнитами имеет все необходимые магнитные элементы для вращения вала.
На рис. 3-7 показано соотношение основных частей двигателя постоянного тока.Эти детали могут немного отличаться в зависимости от производителя, но все двигатели постоянного тока будут иметь эти компоненты.

Контроль скорости и крутящего момента

Скорость двигателя постоянного тока напрямую зависит от приложенного напряжения. Как указывалось ранее, двигателю постоянного тока требуются две отдельные цепи для создания крутящего момента двигателя.

Рисунок 3-5. Конструкция обмотки возбуждения двигателя

Рисунок 3-6. Компенсационные обмотки

Контроль скорости

Поле получает напряжение от отдельного источника питания, иногда называемого возбудителем поля.Этот возбудитель обеспечивает питание поля, которое, в свою очередь, генерирует ток и магнитный поток. В нормальном рабочем состоянии поле поддерживается на максимальном уровне, что позволяет обмотке возбуждения развивать максимальный ток и магнитный поток. Это состояние известно как опера-

Рисунок 3-7. Основные узлы электродвигателя постоянного тока
в ряду якоря. (Единственный способ контролировать скорость — это изменять напряжение якоря.)
Источник питания якоря подает напряжение на якорь через щетки и коммутатор.В основном, чем больше приложенное напряжение, тем выше скорость двигателя. Мы можем увидеть это соотношение в приведенной ниже формуле:

Как видно из формулы, если нагрузка на двигатель остается постоянной, ток якоря останется постоянным, как и сопротивление якоря. Кроме того, неизменными останутся конструктивная константа двигателя и сила магнитного поля. Когда все эти компоненты остаются постоянными
, единственным определяющим фактором скорости является величина приложенного напряжения якоря.
Приведенная выше формула будет работать для определения скорости, когда она равна или ниже базовой скорости двигателя. Формула также укажет скорость при работе со скоростью выше базовой. Можно работать в расширенном диапазоне скоростей, если производитель двигателя консультируется по поводу максимальной безопасной рабочей скорости.
Как показано в формуле, если напряжение якоря максимальное, а все другие компоненты остаются постоянными, скорость может быть увеличена за счет уменьшения магнитного потока (Q). Однако необходимо отметить, что делать это нужно с осторожностью.
Пониженный поток поля является результатом уменьшения напряжения возбудителя поля. Если напряжение снижается почти до нуля, скорость якоря может увеличиться до точки самоуничтожения двигателя. Эта операция, превышающая базовую скорость, по очевидным причинам известна как диапазон скоростей ослабления поля. Возбудитель возбуждения будет иметь защитные приспособления для предотвращения чрезмерной скорости. Большинство систем приводов постоянного тока допускают диапазон ослабления поля не менее 1/3 нормального напряжения. Если напряжение падает до меньшего значения, запрограммированные цепи безопасности в приводе отключают питание якоря и переводят двигатель в безопасное состояние.
Повышение скорости стало возможным благодаря уменьшенному потоку поля при работе со скоростью выше базовой. По сути, меньше ЭДС доступно, чтобы действовать как сдерживающий магнитный поток. Крутящий момент двигателя также зависит от скорости.
Типичное номинальное напряжение якоря в США составляет 90, 180, 240 или 500 В постоянного тока. Типичное номинальное напряжение поля в США составляет 100, 200, 150 или 300 В постоянного тока. Как указывалось ранее, величина напряжения, приложенного к якорю, будет определять скорость выходного вала. Например, если к двигателю со скоростью 1750 об / мин с якорем 240 В постоянного тока приложено 120 В постоянного тока (1/2 напряжения), скорость вала будет примерно 875 об / мин (1/2 скорости).

Контроль крутящего момента

При определенных условиях крутящий момент двигателя остается постоянным при работе со скоростью ниже базовой. Однако при работе в диапазоне ослабления поля крутящий момент падает обратно пропорционально 1 / скорость2. Величину крутящего момента двигателя также можно определить по формуле. В двигателе постоянного тока существует следующее соотношение, которое помогает определить доступный крутящий момент двигателя:

где:
T = крутящий момент, развиваемый двигателем K1 = расчетная постоянная двигателя

Как видно из формулы, если магнитный поток поля поддерживается постоянным , а также расчетная постоянная двигателя, то крутящий момент пропорционален току якоря.Чем большую нагрузку воспринимает двигатель, тем больше тока потребляет якорь.
Преимуществом двигателей постоянного тока является их способность обеспечивать полный крутящий момент при нулевой скорости. Это достигается двумя источниками питания, запитывающими свои силовые структуры для подачи напряжения на якорь и поле. Когда на якорь падает дополнительная нагрузка, магнитный поток якоря прорезает поток поля. Как только это происходит, через якорь проходит больше тока, и силовая структура привода проводит необходимое количество тока для удовлетворения потребности.Это явление возникает, когда двигатель работает на любой скорости, включая нулевую.

Типы корпусов и методы охлаждения

Существуют различные типы корпусов, связанных с двигателями постоянного тока. Ниже приведены наиболее распространенные конфигурации, встречающиеся в промышленности. Система охлаждения или вентиляции заложена в конструкции корпуса. В большинстве случаев, чтобы двигатель развивал полный крутящий момент при скорости менее 50%, требуется дополнительный вентилятор для охлаждения двигателя.

DPFG (полностью защищенный от капель)

Каплезащищенный корпус с полной защитой (DPFG) является самовентилируемым и не имеет внешних средств охлаждения.Во многих случаях эти типы двигателей могут быть модифицированы для приема дополнительного наружного воздуха. Большинство конструкций DPFG могут генерировать 100% номинальный крутящий момент до 50% от базовой скорости. На Рисунке 3-8 показан двигатель DPFG.

Рисунок 3-8. Двигатель DPFG

DPBV (Каплезащищенный вентилятор с вентиляцией)

Кожух с каплезащищенной вентиляцией (DPBV) имеет встроенный вентилятор, который может включать или не включать фильтр. Воздуходувка обычно устанавливается на конце коллектора, чтобы обеспечить постоянный поток охлаждающего воздуха.Двигатели с вентилятором
нередко развивают 100% номинальный крутящий момент до 10 или 5% от базовой скорости. На рисунке 3-9 показан двигатель DPBV.

Рисунок 3-9. Двигатель DPBV

DPSV (защита от капель с отдельной вентиляцией)

Каплезащищенный корпус с отдельной вентиляцией (DPSV) использует воздуховод в количестве кубических футов в минуту, необходимом для охлаждения двигателя. Этот тип двигателя способен передавать 100% крутящего момента при снижении до 10 или 5% от базовой скорости. Во многих случаях этот тип подходит для использования в опасных или загрязненных средах.На Рисунке 3-10 показан двигатель DPSV.

Рисунок 3-10. Двигатель ДПСВ

TESV (полностью закрытый, с раздельной вентиляцией)

В полностью закрытом корпусе с раздельной вентиляцией (TESV) воздух поступает в двигатель и выходит из него в количестве кубических футов в минуту, необходимом для охлаждения. Этот тип двигателя способен передавать 100% крутящего момента при снижении до 10 или 5% от базовой скорости. Во многих случаях этот тип подходит для использования в опасных или загрязненных средах.На рисунке 3-11 показан двигатель TESV.

Рисунок 3-11. Двигатель TESV (с разрешения Emerson Motors Technologies ™)

TENV (полностью закрытый без вентиляции)

Полностью закрытый невентилируемый корпус (TENV) не имеет внешнего охлаждения, но использует внутренний вентилятор для циркуляции воздуха внутри двигателя. Этот тип двигателя способен передавать 100% крутящего момента при снижении до 10 или 5% от базовой скорости. Из-за эффекта охлаждения эти типы кожухов не подходят для работы с большой мощностью.Для сравнения: открытый капельный двигатель мощностью 100 л.с. будет примерно таким же размером, как двигатель TENV мощностью 30 л.с. На рисунке 3-12 показан двигатель TENV.

Рисунок 3-12. Двигатель ТЭНВ

TEAO (полностью закрытый воздуховод)

Кожух полностью закрытого типа (TEAO) имеет вентилятор, установленный непосредственно на верхней части двигателя. Это обеспечивает постоянный поток воздуха над внешней поверхностью корпуса двигателя. Эффект внутреннего охлаждения отсутствует, только снаружи блока.Двигатели этого типа способны передавать 100% крутящего момента примерно до 10% от базовой скорости. На рисунке 3-13 показан двигатель TEAO.

TEFC (полностью закрытое вентиляторное охлаждение)

Корпус полностью закрытого типа с вентиляторным охлаждением (TEFC) имеет установленный снаружи вентилятор на торцевом валу коллектора. Воздушный поток является прямым результатом

Рисунок 3-13. Мотор ТЭАО
скорость мотора. По этой причине этот тип корпуса не подходит для низкоскоростных приложений.Эти типы двигателей могут обеспечивать 100% крутящего момента при снижении до 60% базовой скорости. Рисунок 3-14 показывает двигатель TEFC.

Рисунок 3-14. Двигатель TEFC

TEUC (полностью закрытый блок с охлаждением)

Корпус полностью закрытого типа с блочным охлаждением (TEUC) использует воздухо-воздушный теплообменник и получает его охлаждение через внешний вентилятор. Воздуходувка всасывает воздух в теплообменник через воздухозаборник. Внутренний вентилятор обеспечивает циркуляцию охлаждающего воздуха внутри двигателя.Внешний и внутренний нагнетатели находятся в двух отдельных камерах, чтобы ограничить смешивание внешнего и внутреннего воздуха.
Эти типы двигателей могут обеспечивать 100% номинальный крутящий момент до 3 или 2% от базовой скорости (приложения с постоянным крутящим моментом 20: 1). На рисунке 3-15 показан двигатель TEUC.

Рисунок 3-15. Двигатель TEUC

Защита и номинальные характеристики

Как и любое электрическое устройство, двигатели должны быть защищены от вредных элементов, иначе их производительность и срок службы будут снижены.Такие элементы, как частицы углерода или металлической пыли, кислоты и соли, являются отличными проводниками. Эти материалы, влажные или сухие, могут проводить ток при очень низких напряжениях и через очень маленькие промежутки. Кроме того, вода или конденсат могут серьезно повредить изоляционную систему двигателя. Вода с химическими веществами или минералами является проводником и может способствовать токам утечки, вызывая преждевременный выход из строя.
Во многих промышленных средах присутствуют маслянистые соединения, которые откладываются на всех поверхностях с течением времени.На этих поверхностях начинают накапливаться загрязнения, которые могут вызвать короткое замыкание в коммутаторах двигателей или щеточной оснастке. Здесь также могут возникать токи утечки, вызывающие длительное ухудшение изоляции двигателя и, в конечном итоге, выход двигателя из строя.
Следующие элементы необходимо периодически проверять для обеспечения безотказной работы.

Условия превышения температуры

Перегрузка двигателя — одна из причин перегрева. Высокая температура окружающей среды и грязные или забитые воздушные фильтры на воздуходувках машины или двигателя также способствуют отказам из-за перегрева.Высокая температура внутри двигателя вызывает напряжение расширения в изоляции провода, что приводит к трещинам, которые, в свою очередь, могут вызвать загрязнение и, в конечном итоге, выход провода из строя. Усадка и затвердевание лаковой изоляции проволоки является причиной потери прочности изоляции.

Температура окружающей среды

Типичные рекомендации: условия окружающей среды двигателя не должны превышать 40 ° C (104 ° F). Большинство двигателей рассчитаны на продолжительную работу при этой температуре окружающей среды. Однако двигатели, которые будут постоянно использоваться при более высоких температурах, обычно будут проектироваться с изоляцией с более низким классом превышения температуры.Изоляция двигателя постоянного тока
должна иметь механическую и диэлектрическую прочность. Он должен выдерживать обычное обращение, необходимое при сборке двигателя, а также его эксплуатацию после этого. Основными классами изоляции являются A, B, F и H, а краткое описание приводится ниже:
• Класс A — это самый низкий класс, подходящий для типичных бытовых приборов, но не для промышленного применения.
• Класс B — универсальный, используется во многих промышленных приложениях. Для более сложных условий требуется класс F или класс H.
• Класс H — это изоляция для тяжелых условий эксплуатации, способная выдерживать высокие температуры окружающей среды и внутренние температуры двигателя.
Нормальный срок службы изоляционной системы составляет от 10 000 до 15 000 часов работы в зависимости от температуры. Снижение температуры обмотки двигателя на 10 ° C удвоит срок службы изоляции. И наоборот, повышение температуры на 10 ° C сокращает продолжительность жизни вдвое.
Если вам нужна дополнительная информация, обратитесь к местному дистрибьютору двигателей, NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования) или к местному представителю EASA (Ассоциация обслуживания электроаппаратуры).
Если температура окружающей среды выше 50 ° C, особое внимание следует уделить смазочным материалам для подшипников и вала. При постоянном повышении температуры выше этого значения всегда следует консультироваться с производителем двигателя.

Вибрация

Вибрация вызывает такие проблемы, как напряжение вала и возможное короткое замыкание проводников между витками обмоток или между слоями обмоток. Сильная вибрация может вызвать трещины в лаковой изоляции, что приведет к загрязнению проводов.Проблемы коммутации также могут возникать из-за «подпрыгивания» щеток на коммутаторе. Непрерывные вибрации вызывают усталость металла, что может стать причиной преждевременного литья (рамы) или выхода подшипника из строя.

Высота

Стандартные характеристики двигателя основаны на работе на высоте до 3300 футов (1000 м) над уровнем моря. Многие производители рекомендуют пользователю снижать номинальную мощность двигателя на 1% на каждые 330 футов выше 3300 футов над уровнем моря. Причина в том, что на больших высотах воздух менее плотный (меньше молекул воздуха, отводящих тепло от корпуса двигателя).Чтобы уменьшить потребность
для понижения номинала, обычно достаточно установленного на двигателе вентилятора для охлаждения двигателя и предотвращения перегрева.

Защита

Большинство производителей двигателей поощряют покупку и использование термостата двигателя. Это устройство обычно представляет собой биметаллический диск или полосу, чувствительную к повышению температуры. Когда температура достигает заданного уровня, термостат действует как переключатель и размыкает цепь управления, которая, в свою очередь, отключает двигатель.(Когда привод подключен к двигателю, этот термостат подключается к вспомогательной цепи, которая отключает привод при возникновении условий перегрева.)
Термостат установлен на коммутирующей катушке внутри двигателя, что означает, что устройству необходимо быть установленным во время производства. Стандартная конфигурация — нормально замкнутый контакт. Однако также доступны нормально открытые конфигурации.
Этот тип устройства обычно продается по цене около 150 долларов и является очень разумной страховкой от перегрева двигателя.При перегреве двигателя может произойти повреждение изоляции, что приведет к затратам на ремонт в тысячи долларов и дополнительным затратам из-за времени простоя.

Рейтинги

Типовые двигатели постоянного тока имеют номинальные характеристики, указанные на паспортной табличке. На рисунке 316 показана типовая паспортная табличка двигателя постоянного тока.

Рисунок 3-16. Паспортная табличка двигателя постоянного тока
• Рама: указывается номинальная мощность рамы с учетом конкретной мощности и крутящего момента.
• HP: доступная мощность при указанных номинальных значениях напряжения и тока якоря, возбуждения и тока.
• Усилители / усилители возбуждения: обозначения для усилителей якоря и обмоток возбуждения соответственно. Эти характеристики необходимы при программировании функций защиты в контроллере привода.
• База / макс. скорость: указывает номинальную скорость в об / мин при работе с номинальными токами якоря и возбуждения, а также номинальную нагрузку. Индикация максимальной скорости представляет собой максимально возможную безопасную рабочую скорость, оставаясь в пределах ограничений двигателя.
Дополнительные характеристики включают тип корпуса, тип термостата, номинальную температуру окружающей среды, каталожный и серийный номер, а также тип и номинал тахометра.Эти рейтинги уже обсуждались ранее. Дополнительную информацию о тахометрах см. В разделе 5 «Устройства управления приводом и обратной связи».

Большинство двигателей постоянного тока также имеют один из трех режимов работы:

• Непрерывный режим: номинальные характеристики даны двигателям, которые будут непрерывно рассеивать все тепло, выделяемое внутренними потерями, без превышения номинального повышения температуры.
• Прерывистый режим (определенное время): номинальная мощность, присвоенная двигателю, который выдерживает номинальную нагрузку в течение определенного времени без превышения номинального повышения температуры.
• Прерывистый режим (неопределенное время): номинальные характеристики двигателя, которые обычно связаны с некоторой среднеквадратичной нагрузкой рабочего цикла.
• Пиковый крутящий момент: максимальный крутящий момент, который могут обеспечить двигатели постоянного тока, ограничен точкой нагрузки, при которой начинается разрушающая коммутация. Повреждение щетки и коллектора зависит от силы и продолжительности искрения. Пиковый крутящий момент ограничен максимальным током, который может выдать блок питания.
• Расчет крутящего момента: простой способ рассчитать доступный крутящий момент от двигателя постоянного тока — использовать следующую формулу:
, где:
Крутящий момент = крутящий момент, доступный от двигателя в фунто-футах, л.с. = паспортная мощность в лошадиных силах при базовой скорости Скорость = об / мин
В качестве примера предположим, что двигатель постоянного тока мощностью 10 л.с. имеет якорь на 240 В, 39.2 ампера со скоростью 1775/2750. Мы вставим необходимые числа в формулу и определим базовую скорость (1775) крутящий момент:

Вышеупомянутая формула будет работать для определения крутящего момента на любой скорости, вплоть до базовой. (Опять же, помните, что базовая скорость выражается в номинальных значениях: напряжение якоря, ток возбуждения и нагрузка.)
Чтобы определить коэффициент крутящего момента на ампер, просто разделите 29,5 на 39,2, что равно 0,75 фунт-фут крутящего момента на ампер. Определение отношения крутящего момента на ампер выше базовой скорости также возможно путем вычисления крутящего момента, используя приведенную выше формулу для скорости относительно базовой, а затем используя соотношение рассчитанного крутящего момента и показания амперметра на этой скорости.Как и ожидалось, развиваемый крутящий момент меньше базовой скорости по сравнению с базовой скоростью.

Типы двигателей постоянного тока

Введение

В основном, в промышленных приложениях используются четыре различных типа двигателей постоянного тока: с последовательной обмоткой, шунтирующей обмоткой, составной обмоткой и постоянным магнитом. При выборе двигателя постоянного тока для конкретного применения необходимо учитывать несколько факторов.
Во-первых, решите, какие допустимые изменения скорости и крутящего момента могут быть для данного изменения нагрузки.Каждый тип двигателя имеет преимущества, которые являются выгодными для определенных приложений. Следующий обзор поможет вам решить, какой двигатель может обеспечить лучшую производительность в данном приложении. Всегда следует консультироваться со спецификациями двигателя постоянного тока и привода, чтобы определить конкретную скорость и крутящий момент системы. Кривые скорости / крутящего момента, перечисленные ниже, приведены в иллюстративных целях.

Двигатели постоянного тока серии

Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой имеет якорь и обмотки возбуждения, соединенные последовательно.На рис. 3-17 показан двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой и соответствующая кривая скорость / крутящий момент.
Как видно на Рисунке 3-17, этот тип конфигурации двигателя отличается очень высоким пусковым моментом. Типичные области применения этого двигателя — печатные станки, подъемники для лыжников, электровозы, краны и буровые работы.
Развиваемый пусковой крутящий момент может достигать 500% от номинальной полной нагрузки. Высокий пусковой момент является результатом того, что обмотка возбуждения работает ниже точки насыщения.
Увеличение нагрузки вызовет соответствующее увеличение как якоря, так и тока обмотки возбуждения, что означает, что поток как якоря, так и обмотки возбуждения увеличивается вместе.Как вы помните, крутящий момент, развиваемый в двигателе постоянного тока, является результатом взаимодействия потоков якоря и обмотки возбуждения. Крутящий момент в двигателе постоянного тока увеличивается как квадрат текущего значения.

Рисунок 3-17. Схема и кривая двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой
Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой будет генерировать большее увеличение крутящего момента по сравнению с двигателем постоянного тока с параллельной обмоткой при заданном увеличении тока.
И наоборот, регулирование скорости двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой хуже, чем у двигателя с параллельной обмоткой.Как указано выше, с увеличением нагрузки возрастает ток якоря и обмотки возбуждения. Когда нагрузка уменьшается, уменьшается и ток, что вызывает соответствующее уменьшение плотности магнитного потока. Как напоминание об основах двигателя постоянного тока, когда магнитный поток поля уменьшается во время работы двигателя, происходит уменьшение «сдерживающей» электродвижущей силы (ЭДС). Следовательно, при уменьшении нагрузки скорость увеличивается. Если бы нагрузка была полностью снята, скорость двигателя увеличилась бы до бесконечности — в основном до тех пор, пока двигатель не разрушился бы сам.В качестве меры предосторожности двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой всегда следует подключать к нагрузке.

Двигатели постоянного тока с параллельной обмоткой

Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой имеет якорь и обмотки возбуждения, соединенные параллельно. На Рис. 3-18 показан двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой и соответствующая кривая скорость / крутящий момент.

Рисунок 3-18. Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой и кривая
Этот тип двигателя постоянного тока, вероятно, является наиболее широко используемым в промышленности. Как показано на рисунке, для этого типа двигателя требуются два источника питания — один для якоря и один для обмотки возбуждения.
Типичные области применения этого двигателя — печатные станки, лыжные подъемники, экструдеры для пластика, конвейеры и практически любое другое применение, где используются двигатели постоянного тока. Из-за необходимости в двух источниках питания этот тип двигателя является основным кандидатом для привода постоянного тока (преобразователя), который обычно включает в себя слаботочный возбудитель обмотки возбуждения (источник питания).
Этот тип двигателя с постоянным напряжением якоря и возбуждением обмотки возбуждения обеспечивает относительно стабильные характеристики скорости / момента. Развиваемый пусковой крутящий момент может составлять 250-300% номинального крутящего момента при полной нагрузке в течение короткого периода времени.Регулирование скорости (колебание скорости из-за нагрузки) допустимо во многих случаях в пределах 5-10% максимальной скорости при работе от привода постоянного тока. Регулирование этой величины было бы типичным при управлении от контроллера привода с разомкнутым контуром (без электронного устройства обратной связи, подключенного к валу двигателя). Как обсуждалось в разделе 5, устройства обратной связи по скорости, такие как тахометр-генератор, могут значительно улучшить регулирование (до менее 1%).
Из-за необходимости использования двух источников питания двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой предлагает использование упрощенного управления для требований реверсирования.Направление любого двигателя с шунтирующей обмоткой можно изменить, просто изменив направление тока на обратное, в обмотке якоря или шунтирующего возбуждения. Возможность реверсирования якоря или поля является стандартной для многих модулей привода постоянного тока. (Во многих случаях реверсирование потока и направления осуществляется в управлении обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения потребляет менее одной десятой тока по сравнению со схемой якоря. Меньшие компоненты и меньшая нагрузка на схему являются результатом, когда «реверсирование поля» ”Используется для управления двигателем постоянного тока.)

Двигатели постоянного тока с комбинированной обмоткой

Двигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой в ​​основном представляет собой комбинацию конфигураций с параллельной обмоткой и последовательной обмоткой. Этот тип двигателя обеспечивает высокий пусковой момент двигателя с последовательным заводом. Кроме того, он предлагает постоянное регулирование скорости (стабильность скорости) при заданной нагрузке. Этот тип двигателя используется в тех случаях, когда невозможно регулирование скорости ни от последовательного, ни от параллельного двигателя. На рис. 3-19 показан двигатель постоянного тока с составной обмоткой и соответствующая кривая скорость / крутящий момент.
Характеристики крутящего момента и скорости являются результатом включения части цепи обмотки возбуждения последовательно с цепью якоря. Эту дополнительную цепь обмотки якоря не следует путать с коммутирующей обмоткой или промежуточными полюсами. Коммутационные обмотки также имеют несколько витков, но призваны нейтрализовать реакцию якоря.
При приложении нагрузки происходит соответствующее увеличение тока через последовательную обмотку, что также увеличивает магнитный поток. Это, в свою очередь, увеличивает выходной крутящий момент двигателя.

Рисунок 3-19. Электродвигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой и кривая

Двигатели постоянного тока с постоянным магнитом

Двигатель с постоянными магнитами построен со стандартным якорем и щетками, но имеет постоянные магниты вместо обмотки шунтирующего поля. Характеристики скорости близки к характеристикам двигателя постоянного тока с параллельной обмоткой. Если добавить стоимость двигателя постоянного тока и системы управления, этот тип двигателя будет дешевле в эксплуатации, поскольку нет необходимости в шунтирующем питании возбудителя обмотки возбуждения.На рис. 3-20 показан двигатель постоянного тока с постоянными магнитами и соответствующая кривая скорости / крутящего момента.

Рисунок 3-20. Электродвигатель постоянного тока с постоянными магнитами и кривая
Этот тип электродвигателя, помимо менее дорогостоящей эксплуатации, проще в установке, поскольку необходимы только два соединения якоря. Этот тип двигателя также проще изменить — просто поменяйте местами соединения с якорем.
Полюса постоянных магнитов обычно изготавливаются из таких материалов, как керамика или альнико (алюминий, никель и кобальт).Керамические магниты используются в приложениях с низкой мощностью и малой скоростью из-за их низкого уровня магнитного потока
. Хотя этот тип двигателя имеет хорошие рабочие характеристики и более низкую стоимость, у этого типа двигателя есть несколько недостатков по сравнению с другими.
Такие материалы, как керамика, обладают высокой устойчивостью к размагничиванию. Однако постоянные магниты имеют тенденцию терять часть своей магнитной силы с течением времени и использования. Это уменьшение напряженности магнитного поля вызывает соответствующее уменьшение выходного крутящего момента.Чтобы противодействовать этой возможности, некоторые более дорогие двигатели с постоянными магнитами включают в себя обмотки, встроенные в полевые магниты с целью «намагничивания» магнитов.
Помимо керамических или алнико-магнитов, редкоземельные магниты также являются экономичным средством создания потока магнитного поля. Этот тип магнитной группы включает «встроенный» магнит, который является только одним из девяти различных доступных магнитных материалов.
Хотя этот тип двигателя имеет очень хороший пусковой момент, регулировка скорости немного меньше, чем у двигателя с комбинированной обмоткой.Общий выходной крутящий момент делает этот двигатель лучшим кандидатом для применений с низким крутящим моментом. Пиковый крутящий момент ограничен примерно 150%. Это ограничение основано на том факте, что может произойти дополнительное «размагничивание» полюсов поля, если будет развиваться больший крутящий момент.

Специальные двигатели постоянного тока — Серводвигатели постоянного тока с постоянными магнитами Серводвигатели

считаются «специализированными» в том смысле, что они используются в приложениях, требующих очень быстрого отклика и точности. Во многих случаях частота вращения вала увеличивается с нуля до 6000 об / мин за сотые доли секунды.Такой же профиль скорости может потребоваться в режиме замедления, а также при немедленном изменении направления движения.
Эти типы двигателей должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать нагрузку от ускорения, а также не колебаться в скорости после достижения желаемой скорости. Особое внимание уделяется отводу тепла, поскольку эти двигатели должны быть небольшими, но при этом генерировать достаточный крутящий момент для работы машины. Небольшой размер позволяет использовать двигатель этого типа внутри небольших упаковочных, паллетоупаковочных и перерабатывающих машин.Обычно эти двигатели длинные и узкие, в отличие от стандартного двигателя постоянного тока с шунтирующей обмоткой. Длинная и узкая конструкция позволяет создавать узлы якоря с низким моментом инерции, которые можно быстро разогнать. Конструкция серводвигателя с постоянными магнитами обеспечивает минимально возможное пространство. Для сравнения, обмотки шунтирующего поля должны иметь пластинки, достаточно широкие, чтобы генерировать необходимый магнитный поток поля, который увеличивает общую ширину машины. На Рис. 3-21 показан внешний вид типичного серводвигателя постоянного тока.
Как видно на Рис. 3-21, этот тип двигателя обычно имеет полностью закрытую конструкцию, чтобы изолировать большую часть влаги, пыли и умеренных загрязнений. Физическая рама двигателя действует как теплоотвод, рассеивая выделяемое тепло.

Рисунок 3-21. Серводвигатель постоянного тока с C-торцевой установкой
Многие серводвигатели используются специально для позиционирования. Следовательно, конструкция двигателя позволяет использовать устройство обратной связи по положению, такое как энкодер или резольвер. Монтаж серводвигателя может быть легко осуществлен с помощью торца «C» (без фланца, но с резьбовыми отверстиями для установки монтажных болтов) или фланца «D» (внешний фланец со сквозными отверстиями).
Принцип работы серводвигателя с постоянными магнитами точно такой же, как и у стандартного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами. Он имеет якорь, коммутатор и поле ФЭУ для магнитного взаимодействия. Разница заключается в физических размерах и форме серводвигателя, а также в производительности и скоростных характеристиках.

Специальные двигатели постоянного тока — бесщеточные серводвигатели

Другой тип серводвигателя постоянного тока использует характеристики высокого крутящего момента и ускорения, но без использования коммутатора или щеток.Этот тип, называемый бесщеточным серводвигателем постоянного тока, принимает входную трехфазную или однофазную входную мощность и преобразует ее в постоянный ток, используемый обмотками двигателя. Обмотки создают магнитный поток, который взаимодействует с полем PM для создания скорости и крутящего момента двигателя. На рис. 3-22 показана конструкция бесщеточного серводвигателя постоянного тока.
Как видно на рис. 3-22, вместо постоянных магнитов, установленных в качестве поля, магниты фактически являются частью ротора. (Примечание: поскольку нет щеток или коммутатора, термин «ротор» используется вместо якоря, указывая на конструкцию машины переменного тока.) Типичный бесщеточный серводвигатель постоянного тока может иметь несколько полюсов, например, три N и три S. В статоре также должны быть соответствующие обмотки для создания магнитного взаимодействия. (Примечание. Поскольку это машина переменного тока, термин «статор» используется вместо «возбуждения» или «обмоток возбуждения».)

Рисунок 3-22. Бесщеточный серводвигатель постоянного тока (конструкция и управление)
Ротор серводвигателя обычно представляет собой ламинированное железо со вставленными магнитами, запрессованными или закрепленными эпоксидной смолой.Специальные высокоскоростные подшипники поддерживают ротор в нужном положении. Вместо стандартной распределительной коробки серводвигатели обычно включают разъем в стиле милитари. Этот стиль предусматривает все соединения на одной вилке или розетке с навинчивающимся кольцом для обеспечения положительного контакта. Этот тип разъема устойчив к вибрации машины и электрическим помехам.
Серводвигатель принимает входную мощность и преобразует ее в постоянный ток для основных обмоток статора. В зависимости от конструкции серводвигателя блок управления может включать транзисторы, которые включаются или выключаются для генерации напряжения.В случае трехфазного серводвигателя подключается внешний сервоусилитель для генерации управляющего напряжения для обмоток статора.
Главный недостаток этого мотора — неспособность развивать высокий пусковой момент. В случае однофазного серводвигателя половина основных обмоток используется в любой момент времени. Это приводит к довольно высоким потерям в меди.