Устройство машин постоянного тока | Электротехника
Устройство статора.
Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем. Эскиз машины постоянного тока показан на рис. 1.1, а общий вид с разрезом — на рис. 1.2.
Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнительных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щеточной траверсы со щетками 6.
Станина имеет кольцевую форму и изготовляется из стального литья или стального листового проката. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию магнитопровода.
Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полюсов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в машинах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные магниты).
Дополнительные полюсы устанавливаются между главными и служат для улучшения условий коммутации.
Подшипниковые щиты закрывают статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса, которая с целью регулирования может поворачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электрически изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели со щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.
Устройство якоря.
Вращающаяся часть машин – якорь 9 (рис. 1.1, 1.2, а, б) состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5.
Сердечник имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов листовой электротехнической стали, на внешней поверхности которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря.
Коллектор (рис. 1.3) набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса 3миканитовыми прокладками 2, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.
Рис. 1.3
Конструкция машин постоянного тока
Машина постоянного тока состоит из двух систем: из неподвижной части — статора и подвижной — якоря. Статор состоит из корпуса, в котором укрепляются 2 вида полюсов: главные полюса, на которых располагается обмотка возбуждения и добавочные полюса, которые служат для улучшения работы машины.
Главные полюса собирают из листочков электротехнической стали (рис. 1), добавочные полюса также собирают из листочков электротехнической стали (рис. 2).
Главные полюса имеют башмак, который служит для растягивания магнитного поля вдоль окружности расточки якоря.
Главный полюс машины постоянного тока.
На главные и добавочные полюса надевается обмотка, которая изготавливается двумя способами: либо на каркасе, либо на гильзе.
Собранное по длине машины железо полюсов с одетыми на них обмотками пропитывается лаком и сушится в печах, в результате чего полюса представляют собой монолит, который с помощью болтов крепится в корпус.
Вращающаяся часть машины постоянного тока называется якорь и состоит из двух частей: обмотки якоря и коллектора.
Обмотка якоря укладывается в электротехническое железо круглой формы. На наружной части железа штампуются пазы. Железо круглой формы набирается из отдельных листочков электротехнической стали, набирается по длине, равной длине полюса и сажается на вал горячей посадкой.
В зависимости от мощности машины в железе якоря вырезаются пазы разной формы.
Для машин мощностью до 50 кВт пазы якоря делают грушевидной формы.
В пазы грушевидной формы укладывается обмотка круглого сечения, которая называется всыпной.
В электрических машинах мощностью более 50 кВт делаются пазы прямоугольного сечения с параллельными стенками.
И в эти пазы укладывается обмотка из проводов прямоугольного сечения.
Все провода круглого сечения поступают на электромашиностроительные заводы покрытые эмалевой изоляцией.
В пазы укладывается изоляция, которая называется корпусной.
Полузакрытый паз грушевидной формы с обмоткой и изоляцией: 1 — Гетинаксовый клин; 2 — Изолированные проводники; 3 — Прокладка из стеклоткани толщиной 0,18 мм; 4 — Прокладка из электрокартона толщиной 0,2 мм; 5 — Стеклолакоткань эскапоновая толщиной 0,18 мм; 6 — Электрокартон толщиной 0,2 мм.
Все обмотки якорей машин постоянного тока изготавливаются двухслойными, при этом кладут прокладку.
В отличие от всыпной, секции жесткой обмотки изготавливаются отдельно, и готовые секции укладываются в паз.
Все провода прямоугольного сечения поступают без изоляции, поэтому сначала их изолируют на специальных станках хлопчатобумажными, шелковыми или виниловыми нитками. Изолированные провода прямоугольного сечения собираются в секции.
Укладка обмотки в пазу: 1 — Сторона секции верхнего слоя; 2 — Сторона секции нижнего слоя.
Открытый паз прямоугольной формы с обмоткой и изоляцией: 1 — Деревянный клин; 2 — Прокладка из электрокартона; 3 — Проводник изолированный; 4 — Синтетическая лента или микалента толщиной 0,13 мм; 5 — Синтетическая пленка или микафолий толщиной 0,15 мм; 6 — Телефонная бумага; 7 — Электрокартон толщиной 0,2 мм; 8 — Прокладка из электроепртона.
Уложенную в пазы обмотку соединяют с коллектором.
Коллектор состоит из фигурной шайбы, напрессованной на вал якоря. В эту фигурную шайбу вставляют коллекторные пластины.
На коллекторной пластине имеются петушок, в который запаиваются концы обмотки якоря и ласточкин хвост, который служит для закрепления коллекторной пластины в фигурной шайбе.
Коллектор машины постоянного тока.
Ширина коллекторной пластины колеблется от 3 до 7 мм в зависимости от мощности машины.
Для придания машине постоянного тока формы и жесткости с корпусом статора соединяются крышки. В крышки запрессовываются подшипники, а сама крышка вставляется в вал.
Крышки бывают двух видов. Со стороны выходного вала крышка бывает закрытая и, как правило, с упорными подшипниками. Крышка со стороны коллектора имеет специальную конструкцию.
Крепление щеточного пальца к траверсе: 1 — Палец; 2 — Траверса; 3 — Изоляция; 4 — Шина токособирательная.
В крышке укрепляется траверса — это стальной круг с прорезями, которые служат для того, чтобы круг можно было двигать относительно геометрической нейтрали. К траверсе жестко крепятся щеткодержатели.
Щеткодержатель состоит из кармана для щеток, удерживающих пружин и изолированной прокладки, на которую крепится вывод от щетки.
Щеткодержатель со щеткой: 1 — Обойма щеткодержателя; 2 — Щетка; 3 — Пружина нажимная; 4 — Кабель токоведущий; 5 — Колодки для крепления к пальцу.
Принцип действия, устройство электрических машин постоянного тока
По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Несмотря на большое разнообразие конструкций, общие принципы работы электрических машин одинаковы. Все современные электрические машины работают на основе явлений электромагнитной индукции.
Постоянным называется ток, протекающий по проводнику только в одном направлении. Получение постоянного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока путем его выпрямления при помощи специальных устройств-выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.
Простейший генератор постоянного тока (рис. 168, а и б) имеет полюсы электромагнита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и Б, вращающимся вместе с витком.
Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала и представляют из себя в простейшем виде коллектор, служащий для выпрямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются неподвижные щетки I и II, по которым ток с полуколец А и Б направляется во внешнюю цепь. При вращении в магнитном поле в рамке будет индуктироваться переменная по величине и направлению электродвижущая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. При этом направление э. д. с., индуктируемой в каждый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки.
В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полукольца меняют щетки (рис. 168, а и б), поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по величине. График изменения э.д.с. в витке можно изобразить кривой, показанной на схеме в (рис. 168), а график изменения тока во внешней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, изображенный на схеме г. Как видно из последнего графика, э.д.с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по величине от нуля до максимума, снова до нуля и т. д. Поэтому э.д.с. в таком виде имеет большую пульсацию, и ток, протекающий по замкнутому контуру, носит название пульсирующего. Чтобы «сгладить» пульсацию и получить ток во внешней цепи, близкий к постоянному по величине, в генераторах устанавливают не один виток с двумя полукольцами, а очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относительно друг друга на небольшой угол и при вращении всех витков пульсация значительно уменьшается.
В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине. На практике в генераторах берется такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э.д.с. имеет совершенно незначительную пульсацию (порядка 1% от среднего значения э.д.с.) и ее величина поэтому считается постоянной.
Конструкции основных элементов генераторов и двигателей постоянного тока, вследствие общности их принципов и обратимости работы, одни и те же.
На рис. 169 показаны основные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных частей: станины с закрепленными в ней полюсами — электромагнитами, якоря с обмоткой и коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего подшипниковых щитов.
Станиныу современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выполняются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьмигранные, круглые и т. д.).
К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников (рис. 170).
Вследствие общности принципов работы основные элементы конструкции генераторов и дви¬гателей постоянного тока одни и те же.
Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного поля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное (2, 4, 6 и более). При этом северные и южные полюсы чередуются между собой. Полюсные сердечники, как и полюсные наконечники, собираются из отдельных листов (пластин) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечники полюсов изготовляются отдельно от станины и крепятся к ней, как это показано на рис. 170.
Якорь — вращающаяся часть машины — служит для несения обмотки, в которой индуктируется переменная э.д.с.; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сердечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга специальной тонкой бумагой или покрытых изолирующим лаком. Отдельные листы сердечника якоря штампуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверхности якоря образовались пазы, в которые затем укладываются секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Секции обмоток соединяются между собой в определенной последовательности.
Набранный таким образом якорь надевается на стальной вал машины, на котором он закрепляется при помощи шпонки.
На одном валу с якорем насажен коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала ма¬шины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаивается начало од¬ной и конец другой секции. Пластины изготовляются из твердо¬тянутой меди соответствующего профиля и изолируются друг от друга прокладками из миканита (склеенные под давлением листочки слюды). Для соединения коллекторных пластин с кон¬цами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление, в которое вводят (вбивают) концы секций, произведя их пайку.
Коллектор является одной из наиболее ответственных частей электрической машины.
Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателями. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать искрения, повышения сопротивления и нагрева.
В современных электрических машинах применяют угольные, меднографитные и графитные щетки.
Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый междужелезным пространством.
На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения машины с сетью. Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся — ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда называется индуктором)—статором.
Похожие статьи
виды и принцип их работы
Машины постоянного тока представляют собой возвратную электрическую машину, в которых происходит процесс преобразования энергии. В машинах, где механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами. Они предназначены для выработки электроэнергии. Для работы необходимо наличие какого-либо двигателя (дизеля, паровой или водяной турбины), который будет вращать вал генератора.
Обратное преобразование энергий происходит в электродвигателях. Они приводят в движение колесные пары локомотивов, вращают валы вентиляторов и т.д. Для работы необходимо подсоединение электродвигателя с источником электроэнергии посредством проводов.
Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.
Эти машины включают в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.
Вращающаяся часть, или ротор, в электрических машинах постоянного тока именуются якорем. Якорь, снабженный коллектором, в электродвигателях играет роль преобразователя частоты, а в генераторах – выпрямителя.
При вращении машины происходит перемещение якоря и статора относительно друг друга. Статор создает магнитное поле, а в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Возникает ток, который при воздействии с магнитным полем создает электромагнитные силы, отвечающие за процесс преобразования энергии.
Электрические машины постоянного тока в зависимости от наличия или отсутствия коммутации бывают обычными и униполярными, а по расположению вала — вертикальными и горизонтальными.
По типу переключателей тока их можно подразделить на машины с щеточно-коллекторным и электронным переключателем. Последние называются еще вентильными электродвигателями.
По мощности они делятся на микромашины мощностью до 0,5 кВт, а также, машины малой, средней и большой мощности — 0,5-10 кВт, 10-200 кВт и более 200 кВт соответственно.
По частоте вращения различают тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300-500 об/мин), быстроходные (1500-6000 об/мин) и сверхбыстроходные (более 6000 об/мин) электрические машины постоянного тока.
Машины постоянного тока | мтомд.инфо
Машина постоянного тока представляет собой электрическую машину с механическим преобразователем частоты в цепи якоря и поэтому имеет обращенное исполнение.
Устройство и назначение машин постоянного тока
Обмотка возбуждения 3 располагается на статоре, а обмотка якоря 5 — на роторе. Преобразователь частоты выполняется в виде коллектора 7, пластины которого электрически связаны с обмоткой якоря. Система неподвижных щеток 6 обеспечивает связь вращающейся обмотки якоря с внешней сетью.
Схема машины постоянного тока
Статор обычно выполняется в виде массивной станины 1, на которой укрепляются полюсы 2 с обмоткой возбуждения. Сердечники полюсов собираются из листов конструкционной стали толщиной 1-2 мм.
Магнитопровод якоря 4 набирается из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пазы магнитопровода укладываются изолированные секции двухслойной обмотки якоря. Выводы секции припаиваются к коллекторным пластинам, закрепленным на валу машины постоянного тока. Число коллекторных пластин равно числу секций. Коллекторные пластины изготавливаются из меди и изолируются друг от друга и от вала с помощью миканитовых прокладок. На внешней поверхности коллектора устанавливаются угольные щетки, закрепленные в щеткодержателях неподвижно относительно статора. Число щеток равно числу полюсов.
Положение щеток относительно полюсов может меняться, но, как правило, щетки устанавливаются на геометрической нейтрали — линии, перпендикулярной оси магнитного поля полюса. В этом случае процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока аналогичны процессам преобразования в синхронных машинах при чисто активной нагрузке. Машины постоянного тока применяются как в качестве электродвигателей, так и в качестве генераторов.
Области применения машин постоянного тока
Двигатели постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, обладают хорошими регулировочными свойствами и могут иметь механические характеристики n = f(Mвн), удовлетворяющие требованиям большинства рабочих механизмов. Поэтому двигатели постоянного тока широко используются на транспорте (магистральные электровозы, тепловозы, пригородные электропоезда, метрополитен, трамваи, троллейбусы), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках. В подавляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других летательных аппаратов двигатели постоянного тока приводят во вращение все вспомогательное оборудование.
Постоянный ток для питания двигателей получают либо с помощью полупроводниковых выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный, либо с помощью генераторов постоянного тока. Генераторы постоянного тока используют также в технологических процессах для питания электролизных и гальванических установок. Широкое распространение получили генераторы постоянного тока специального назначения (сварочные генераторы, генераторы для освещения поездов, электромашинные усилители постоянного тока, возбудители синхронных машин).
Недостатком машин постоянного тока является их относительно высокая стоимость, а также наличие скользящего контакта между щетками и коллектором. В последние годы в связи с развитием полупроводниковой техники ведутся работы по замене механического коллектора полупроводниковым преобразователем. Однако, несмотря на большие усилия, направленные на создание полупроводниковых преобразователей частоты, электроприводы с такими преобразователями оказываются в 1,5 — 2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями постоянного тока. Поэтому выпуск машин постоянного тока не сокращается, и они находят все новые области применения.
Принцип действия и устройство электрических машин постоянного тока
Лабораторно — практическая работа №9
Тема : Принцип действия и устройство электрических машин постоянного тока
Цели: Ознакомиться с особенностями применения, устройством и принципом действия электрических машин постоянного тока. Изучить, каким образом производится регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения
Теоретическая часть: Работа любой электрической машины (генератора или двигателя постоянного и переменного тока) характеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов, один из которых создаётся механическими, а другой — электрическими силами. Кроме тока, работа двигателя и генератора характеризуется взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке якоря.
Машина работает в режиме генератора, если её вращает первичный двигатель (турбина или двигатель внутреннего сгорания), главное магнитное поле возбуждено. Вследствие этого вращения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря. Цепь якоря соединена через щётки с приёмником. При таких условиях ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря, создает в якоре и приёмнике ток.
Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создаёт на валу машины тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
В двигательном режиме цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создаёт вращающий момент, под действием которого вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу машины. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую(мощность P1), а затем в механическую мощность вращения якоря (P2): Р1 = Е*Iя; Р2 = 2*π*М*n.
Где M — вращающий момент, действующий на сердечник якоря; n — частота вращения; π≈3,14.
Важнейший классифицированный признак машин постоянного тока — способ возбуждения главного магнитного поля. Один из способов предусматривает использование постоянных магнитов на полюсах машины. Во многих современных машинах главное магнитное поле возбуждается с помощью электромагнитов. Для этого применяется обмотка возбуждения с током возбуждения, размещённая на сердечниках полюсов машины. Все рабочие характеристики машин постоянного тока при работе, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным и смешанным, а также эти цепи могут быть независимы друг от друга, в соответствии с чем принято различать параллельное, последовательное, смешанное и независимое возбуждение машин.
Оборудование и аппаратура: амперметр, вольтметр, двигатель постоянного тока, источник тока, лампочка
Порядок выполнения:
1. Ознакомиться с материалом и формулами для вычисления
2.Выбрать преимущества коллекторных машин постоянного тока и бесколлекторных машин переменного тока
3. Указать деталь, которая входит в устройство машины постоянного тока
4. Изучить работу согласно схемы и выбрать правильные утверждения
5. Выбрать виды обмоток якоря машин постоянного тока
6. Расчет сил, действующих на проводник в магнитном поле
Содержание отчета :
1. Наименование отчета?
2. Заполнение таблиц?
3. Вычисления расчета сил.
Контрольные вопросы:
1. Опишите устройство машины постоянного тока?
2. Чем принципиально отличаются генератор постоянного тока и электродвигатель постоянного тока?
3. Какие недостатки имеют электрические машины постоянного тока?
Ответы на ЛПЗ № 9
ТЕМА: Лабораторно-практическая работа №9 «Принцип действия и устройство электрических машин постоянного тока»
Цели урока:
Образовательная: Ознакомиться с особенностями применения, устройством и принципом действия электрических машин постоянного тока. Изучить, каким образом производится регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения.
Воспитательная: сформировать интерес к уроку
Развивающая: развить самостоятельность, логическое мышление
Форма урока: индивидуальная
Оборудование: раздаточный материал, ПК, доска, учебное пособие
План урока:
1.Орг.момент – 5 мин
2. Цель работы-5мин
3. Ознакомится с материалом и формулами для вычисления -3мин
4. Выбрать преимущества коллекторных машин постоянного тока и бесколлекторных машин переменного тока-5 мин
5. Указать деталь, которая входит в устройство машины постоянного тока-17 мин
6. Зарядка- 5 мин
7. Изучить работу согласно схеме и выбрать правильное утверждения- 15 мин
8.Выбрать виды обмоток якоря машин постоянного тока. Расчет сил, действующих на проводник в магнитном поле- 15 мин
9. Д/з – 2 мин
10. Итог урока-3 мин
1 Принцип действия и устройство машин постоянного тока
Модуль 4: «Машины постоянного тока»
(Конспект лекций)
1. Принцип действия и устройство машин постоянного тока
(Тема 39)
1.1. Принцип действия машин постоянного тока
Режим генератора. На рис. 1.1, а представлен фрагмент машины постоянного тока, а на рис. 1.1, б, в дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Основной магнитный поток в нормальных машинах создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах 1 неподвижной части машины – индукторе.
Магнитный поток проходит от северного полюса к южному через подвижную часть машины – якорь 2 (рис. 1.1) и замыкается по ярму машины (на рис. 1.1 ярмо индуктора не показано).
Рекомендуемые файлы
Техническое задание
Инженерия требований и спецификация программного обеспечения
FREE
Маран Программная инженерия
Программаня инженерия
FREE
Учебный план для ИУ3, ИУ4, ИУ5, ИУ6, ИУ7, РК 6, РЛ6, МТ4, МТ8, МТ11, СМ13
Физика
-60%
Решенные все 35 билетов 2021 (теории + задач)
Физика
Якорь набран из пластин электротехнической стали и имеет форму цилиндра с пазами, в которые уложена обмотка, в рассматриваемом случае, состоящая из одного витка.
Концы витка обмотки соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора 3, число которых в раcсматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.
Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. В проводниках обмотки якоря, перемещающемся в магнитном поле, наводится ЭДС. Направление ЭДС определяют по правилу правой руки. Поскольку направление магнитного потока остается неизменным, ЭДС индуктируется только при вращении якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике ЭДС – по закону электромагнитной индукции
, (1.1)
где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; u – составляющая скорости перемещения, нормальная к вектору магнитной индукции.
Индуктируемые в проводниках ЭДС по контуру витка складываются и ЭДС витка
(1.2)
ЭДС является переменной, так как проводники обмотки проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в них меняется. По форме кривая ЭДС повторяет кривую индукции в зазоре машины. Частота ЭДС в двухполюсной машине равна частоте вращения якоря n (об/с):
в полюсной машине
(1.3)
Если замкнуть виток обмотки якоря на внешнее сопротивление r, то в цепи потечет ток
(1.4)
Этот ток будет переменным и будет иметь ту же форму, что и ЭДС (рис. 1.2, а). По внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора: под верхней щеткой всегда будет находиться пластина коллектора, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом. Форма кривой тока и напряжения во внешней цепи показана на рис. 1.2, б.
Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный во внешней цепи.
Ток обмотки якоря:
а) создаст на внутреннем и внешнем сопротивлениях падения напряжения, уравновешивающие ЭДС:
; (1.5)
б) выделит на сопротивлениях соответствующие мощности.
Уравнение мощностей получим умножив (1.5) на ток
(1.6)
или
, (1.7)
где — электромагнитная мощность генератора; р — мощность потерь на внутреннем сопротивлении генератора; Р2 — мощность, выделенная на внешнем сопротивлении цепи – полезная мощность.
Из (1.7) следует, что генератор отдает в сеть только часть развивающейся в нем электромагнитной мощности, другая проявляется в виде потерь.
Проводники обмотки якоря с током i находятся в магнитном поле, на них (по закону Ампера) будут действовать электромагнитные силы (см. рис.1.1, б)
, (1.8)
направление которых определяют по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом (см. рис.1.1, б):
, (1.9)
где диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозным.
Режим двигателя. Рассматриваемая машина постоянного тока может работать в режиме двигателя, если к обмотке якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. На проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы (см. рис. 1.1, в) и возникнет электромагнитный момент, определяемые по формулам (1.8) и (1.9). При достаточной величине электромагнитного момента якорь придет во вращение и машина будет развивать механическую мощность. 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.
В проводниках обмотки вращающегося якоря по закону эле-ктромагнитной индукции наведется ЭДС, определяемая по формуле (1.1) и направленная против тока.
На основании второго правила Кирхгофа записывают уравнение равновесия напряжений:
(1.10)
или
. (1.11)
Умножив (1.11) на ток, получим
, (1.12)
или
(1.1З)
Из (1.13) следует, что в электромагнитную мощность превращается только часть подведенной мощности Р1, а остальная покрывает потери.
Таким образом, независимо от назначения (и даже рода тока) действие электрических машин основано на двух законах: на законе электромагнитной индукции , сформулированном Фарадеем (или — в формулировке Максвелла), и законе Ампера (законе электромагнитных сил), определяющем взаимодействие токов с магнитными потоками. Из сравнения равенств (1.5), (1.11) следует: в двигательном режиме > , генераторном > .
Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин коллектора должно быть достаточно большим. Обычно при В
,
соответственно возрастает и количество секций (витков) обмотки якоря. Пример такой обмотки, уложенной в пазы якоря, показан на рис. 1.3, а. При вращении якоря в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направление которой на рис. 1.3, б.
В проводниках, расположенных по одну сторону симметрии, разделяющей полюсы, ЭДС направлена всегда в одну сторону, независимо от угловой скорости. При вращении одни проводники уходят под другой полюс, на их место приходят
другие проводники, а в пространстве, под полюсом одной полярности, картина почти неподвижна, только одни проводники сменяются другими.
Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.
В половине обмотки ( в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.3, б). По контуру обмотки якоря ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.
Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.
Для улучшения контакта щетки выполняют в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирают из медных пластин, изолированных друг от друга.
1.2. Устройство машины постоянного тока
Магнитное поле в машинах постоянного тока создают полюсы 1, укрепленные на неподвижных магнитопроводящих станинах-ярмах 2 (рис. 1.4). Полюсы изготавливают в виде стальных сердечников, собранных из отдельных листов (только для упрощения технологии), на которых укреплены обмотки возбуждения 3. Полюсы – это электромагниты, обмотки которых питаются постоянным током от якоря самой машины или от независимого источника. В машинах мощностью выше 0,5 кВт между основными – главными – полюсами размещают добавочные полюсы 20 для улучшения токосъема с коллектора. Эти полюсы, как и главные, крепят болтами к ярму машины. Ярмо в современных машинах обычно выполняют из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из листового проката или стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяют.
В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно и станиной, т.е. той частью, где крепят другие неподвижные части машины и с помощью которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. В поле полюсов помещают насаженный на вал якорь 4 — стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали с выштампованными по периферии пазами 5 для укладки обмотки. Сердечники якоря диаметром более 100 см составляют из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набирают на корпус якоря, изготовленного из листового проката, и с помощью втулки соединяют с валом. Листы якоря изолируют друг от друга оксидной пленкой или лаком для уменьшения вихревых токов.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта — 3 Технологические требования к подготовке полуфабрикатов для супов.
В сердечнике якоря могут быть аксиальные или радиальные каналы в зависимости от выбранной системы вентиляции.
Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря лобовые части 7 обмотки имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 8, а по внешней стороне крепятся проволочными бандажами 6. Обмотку соединяют с коллектором 9 — механическим выпрямителем переменной ЭДС, наводимой в якоре, в постоянное напряжение на выходе генератора (иди инвертором для двигателя). Коллектор 12 укреплен на валу 10 якоря и состоит из медных пластин 11, изоли-рованных друг от друга миканитовыми пластинами и изоляционными шайбами 12 от нажимного устройства, стягивающего пластины в цилиндр. Для токосъема с коллектора (скользящий контакт) установлен щеточный аппарат, состоящий из нескольких групп щеткодержателей 13, укрепленных на траверсе 14. В щеткодержателях помещены щетки (графитные или медно-графитные), прижатые к коллектору пружинами. Траверсы укреплены на станине или подшипниковом щите 15 и допускают перемещение всех щеток по дуге коллектора (для установки в нужном положении).
Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.
Вал машины 10 с укрепленными на нем якорем и коллектором вращается в подшипниках 16, установленных в подшипниковых щитах 15. На валу в большинстве машин постоянного тока крепится крыльчатка вентилятора 17 для охлаждения активных частей машины. Воздух поступает в машину через жалюзи 19, прогоняется вентилятором через активную часть машины. Нагретый воздух выбрасывается через вентиляционные окна 18.
Одноякорные машины постоянного тока строят мощностью до 10 МВт и напряжением до 1000 В (для электрифицированных железных дорог до 1500 В). Большие напряжения ограничены условиями токосъема. При больших мощностях строят двух и многоякорные машины с общим валом. Машины постоянного тока наиболее сложны в изготовлении, менее надежны в эксплуатации в дорогостоящи. В то же время простота и экономичность регулирования скорости вращения в этих машинах обеспечивают им широкое применение.
Что такое электрическая машина?
Электрическая машина — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую или наоборот. Электрические машины также включают трансформаторы, которые фактически не преобразуют механическую и электрическую форму, а преобразуют переменный ток с одного уровня напряжения на другой.Электрогенератор:
Электрогенератор — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую.Генератор работает по принципу электромагнитной индукции. Он утверждает, что всякий раз, когда проводник движется в магнитном поле, внутри проводника индуцируется ЭДС. Это явление называется генератором.Генератор в основном состоит из статора и ротора. Механическая энергия передается на ротор генератора с помощью первичного двигателя (то есть турбины). Турбины бывают разных типов, такие как паровая турбина, водяная турбина, ветряная турбина и т. Д. Механическая энергия также может быть обеспечена двигателями внутреннего сгорания или аналогичными другими источниками.
Чтобы узнать больше о том, как работают генераторы, прочтите следующие статьи.- Генератор переменного тока (преобразует механическую энергию в электричество переменного тока)
- Генератор постоянного тока (преобразует механическую энергию в электричество постоянного тока)
Электродвигатель:
Двигатель — это электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует механическая сила, и это принцип действия двигателя.Как и генераторы, двигатели состоят из двух основных частей: статора и ротора. Во многих типах двигателей необходимо обеспечить электропитание как обмотки статора, так и обмотки ротора. Но в некоторых типах, таких как двигатели с фиксированным магнитом и асинхронные двигатели, может потребоваться питание только для одной обмотки. Электромагнитная сила между двумя обмотками заставляет ротор вращаться.
Чтобы узнать больше об электродвигателях, прочтите следующие статьи.Трансформаторы:
Трансформаторы фактически не преобразуют механическую энергию в электрическую, но они передают электрическую энергию из одной цепи в другую.Они могут увеличивать или уменьшать (повышать или понижать) напряжение при передаче мощности без изменения частоты, но с соответствующим уменьшением или увеличением тока. Входная мощность и выходная мощность электрического трансформатора в идеале должны быть одинаковыми.Повышающие трансформаторы повышают уровень напряжения от первичной к вторичной, но с соответствующим уменьшением тока. В то время как понижающий трансформатор снижает уровень напряжения с соответствующим увеличением тока, чтобы поддерживать постоянную мощность.
Вы можете найти статьи, связанные с электрическими машинами, по следующей ссылке —
Index of Electrical Machines.
Что такое машина постоянного тока? Базовая конструкция и эквивалентная схема
A DC Machine — это электромеханическое устройство преобразования энергии . Есть два типа машин постоянного тока; один — это генератор постоянного тока , а другой известен как двигатель постоянного тока .
Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию (ωT) в электрическую энергию постоянного тока (EI), тогда как двигатель постоянного тока преобразует d.c электрическая мощность в механическую. Электродвигатель переменного тока неизменно применяется в промышленности для преобразования электроэнергии в механическую, но там, где требуется широкий диапазон скоростей и хорошее регулирование скорости, например, в системах электрической тяги, используется электродвигатель постоянного тока.
Конструкция двигателя постоянного тока и генератора почти одинакова. Генератор используется очень защищенным способом. Отсюда и есть открытый тип конструкции. Но двигатель используется в местах, где они подвергаются воздействию пыли и влаги, и, следовательно, он требует кожухов, например, грязеотталкивающих, пожаробезопасных и т. Д.согласно требованию.
Хотя аккумулятор является важным источником электроэнергии постоянного тока, он может обеспечивать только ограниченную мощность для любых машин. Есть некоторые приложения, в которых требуется большое количество энергии постоянного тока, например, гальваника, электролиз и т. Д. Следовательно, в таких местах для подачи энергии используются генераторы постоянного тока.
Базовая конструкция электрических машин
Вращающаяся электрическая машина или машина постоянного тока состоит в основном из двух частей; один — Stator , а другой — Rotar .Статор и ротор отделены друг от друга воздушным зазором. Статор является внешней рамой машины и неподвижен. Ротор свободно перемещается и является внутренней частью машины.
И статор, и ротор изготовлены из ферромагнитных материалов. Прорези прорезаны на внутренней периферии статора и внешней периферии ротора. Проводники помещаются в пазы статора или ротора. Они соединены между собой и образуют обмотки.
Обмотки, в которых индуцируется напряжение, называются обмотками якоря . Обмотка, через которую пропускается ток для создания основного потока, называется Обмотка возбуждения . Для обеспечения основного потока в некоторых машинах также используются постоянные магниты.
Эквивалентная схема якоря машины постоянного токаЯкорь генератора постоянного тока может быть представлен эквивалентной электрической схемой. Он может быть представлен тремя последовательно соединенными элементами E, Ra и Vb.
Эквивалентная схема якоря генератора постоянного тока представлена на рисунке ниже:
Эквивалентная схема якоря двигателя постоянного тока показана ниже на рисунке:
Элемент E на схемах замещения представляет собой генерируемое напряжение, Ra — сопротивление якоря, а Vb — падение напряжения на контакте щетки.
Электрогенератор | инструмент | Британника
Полная статья
Электрогенератор , также называемый динамо , любая машина, которая преобразует механическую энергию в электричество для передачи и распределения по линиям электропередач бытовым, коммерческим и промышленным потребителям. Генераторы также производят электроэнергию, необходимую для автомобилей, самолетов, кораблей и поездов.
Механическая мощность для электрического генератора обычно получается от вращающегося вала и равна крутящему моменту вала, умноженному на вращательную или угловую скорость.Механическая энергия может поступать из ряда источников: гидротурбины на плотинах или водопадах; Ветряные турбины; паровые турбины, использующие пар, получаемый за счет тепла сгорания ископаемого топлива или ядерного деления; газовые турбины, сжигающие газ непосредственно в турбине; или бензиновые и дизельные двигатели. Конструкция и скорость генератора могут значительно различаться в зависимости от характеристик механического первичного двигателя.
Почти все генераторы, используемые для электроснабжения сетей, вырабатывают переменный ток, полярность которого меняется на фиксированную частоту (обычно 50 или 60 циклов или двойное переключение в секунду).Поскольку несколько генераторов подключены к электросети, они должны работать на одной и той же частоте для одновременной генерации. Поэтому они известны как синхронные генераторы или, в некоторых случаях, генераторы переменного тока.
Генераторы синхронные
Основная причина выбора переменного тока для электрических сетей заключается в том, что его постоянное изменение во времени позволяет использовать трансформаторы. Эти устройства преобразуют электрическую энергию при любом напряжении и токе, которые она генерирует, в высокое напряжение и низкий ток для передачи на большие расстояния, а затем преобразуют ее в низкое напряжение, подходящее для каждого отдельного потребителя (обычно 120 или 240 вольт для бытовых нужд).Конкретная используемая форма переменного тока представляет собой синусоидальную волну, которая имеет форму, показанную на рисунке 1. Это было выбрано, потому что это единственная повторяющаяся форма, для которой две волны, смещенные друг от друга во времени, могут быть добавлены или вычтены и имеют такая же форма возникает в результате. В идеале все напряжения и токи должны иметь синусоидальную форму. Синхронный генератор разработан для получения этой формы с максимальной точностью. Это станет очевидным, когда ниже будут описаны основные компоненты и характеристики такого генератора.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчасРотор
Элементарный синхронный генератор показан в поперечном сечении на рис. 2. Центральный вал ротора соединен с механическим первичным двигателем. Магнитное поле создается проводниками или катушками, намотанными в пазы, вырезанные на поверхности цилиндрического железного ротора. Этот набор катушек, соединенных последовательно, известен как обмотка возбуждения. Положение катушек возбуждения таково, что направленная наружу или радиальная составляющая магнитного поля, создаваемого в воздушном зазоре к статору, приблизительно синусоидально распределяется по периферии ротора.На рисунке 2 плотность поля в воздушном зазоре максимальна снаружи вверху, максимальна внутрь внизу и равна нулю с двух сторон, что соответствует синусоидальному распределению.
Элементарный синхронный генератор.
Британская энциклопедия, Inc.Статор простейшего генератора на рисунке 2 состоит из цилиндрического кольца из железа, обеспечивающего легкий путь для магнитного потока. В этом случае статор содержит только одну катушку, две стороны которой размещены в пазах в утюге, а концы соединены вместе изогнутыми проводниками по периферии статора.Катушка обычно состоит из нескольких витков.
Когда ротор вращается, в обмотке статора индуцируется напряжение. В любой момент величина напряжения пропорциональна скорости, с которой магнитное поле, окруженное катушкой, изменяется со временем, то есть скорости, с которой магнитное поле проходит через две стороны катушки. Таким образом, напряжение будет максимальным в одном направлении, когда ротор повернут на 90 ° от положения, показанного на рисунке 2, и будет максимальным в противоположном направлении на 180 ° позже.Форма волны напряжения будет примерно синусоидальной формы, показанной на рисунке 1.
Структура ротора генератора на рисунке 2 имеет два полюса: один для магнитного потока, направленного наружу, и соответствующий полюс для потока, направленного внутрь. Одна полная синусоида индуцируется в обмотке статора за каждый оборот ротора. Таким образом, частота электрического выходного сигнала, измеренная в герцах (циклах в секунду), равна скорости вращения ротора в оборотах в секунду. Чтобы обеспечить подачу электроэнергии с частотой 60 Гц, например, первичный двигатель и скорость ротора должны быть 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту.Это удобная скорость для многих паровых и газовых турбин. Для очень больших турбин такая скорость может быть чрезмерной из-за механического напряжения. В этом случае ротор генератора спроектирован с четырьмя полюсами, разнесенными с интервалом 90 °. Напряжение, индуцированное в катушке статора, которая охватывает аналогичный угол 90 °, будет состоять из двух полных синусоид на оборот. Таким образом, требуемая частота вращения ротора для частоты 60 Гц составляет 1800 оборотов в минуту. Для более низких скоростей, например, используемых в большинстве водяных турбин, можно использовать большее количество пар полюсов.Возможные значения скорости ротора в оборотах в минуту равны 120 f / p , где f — частота, а p — количество полюсов.
Электрические машины — виды и принцип работы
Электричество в природе не существует в какой-либо полезной форме. Он должен вырабатываться из любых других источников энергии, таких как солнечная, ветровая, гидро-, тепловая, атомная и т. Д. Фотоэлектрические элементы помогают нам улавливать энергию солнечного света, а генераторы используются для преобразования механической энергии, доступной в других формах, в электричество.Механическая энергия может быть получена от ветра, проточной воды и пара с помощью турбин. Двигатели используются для обратного преобразования электричества в механическую энергию. Итак, в совокупности электрических машин — это устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот.
Давайте начнем с трансформаторов, чтобы вы могли понять основную концепцию электромагнитной индукции, которая возникает в каждой электрической машине.
Классификация электрических машин
В основном электрические машины подразделяются на
- Статические электрические машины — трансформаторы
- Вращающиеся электрические машины — двигатели (преобразование электрической энергии в механическую) и генераторы (преобразование механической энергии в электрическую)
Любое статическое устройство, которое может передавать переменный ток из одной цепи в другую с помощью электромагнитной индукции, можно рассматривать как трансформатор.Трансформаторы используются для преобразования переменного тока с одного уровня напряжения на другой.
Базовый трансформатор состоит из двух катушек, соединенных магнитным сердечником. В случае трехфазных трансформаторов будет присутствовать два набора катушек на фазу. Один набор катушек известен как первичная обмотка, а другой — как вторичная обмотка. Эти две обмотки изолированы друг от друга и магнитно связаны через железный сердечник.
К первичной обмотке подключено переменное напряжение. При подключении создается переменный магнитный поток с амплитудой, пропорциональной величине приложенного напряжения, частоте и количеству витков. Этот поток связывается с вторичной обмоткой и индуцирует напряжение, пропорциональное количеству витков вторичной обмотки.
Отношение числа витков первичной обмотки и витков вторичной обмотки известно как отношение витков трансформатора . Возможен любой коэффициент трансформации напряжения, который достигается за счет правильного соотношения количества витков первичной и вторичной обмоток.
Коэффициент трансформации напряжения определяется по формуле:
Если вторичное напряжение больше первичного, трансформатор называется повышающим трансформатором. Если первичное напряжение больше вторичного, то трансформатор называется понижающим трансформатором.
Для обеспечения эффективного связывания магнитного потока сердечник (конструкция, поддерживающая обмотки) изготовлен из высокопроницаемого железа или легированной стали.Трансформаторы доступны в различных размерах, формах и конструкциях, но основной принцип остается неизменным.
Электроэнергия вырабатывается на станции среднего напряжения (6,6 кВ, 11 кВ, 33 кВ). Чтобы минимизировать потери передачи , генерируемое напряжение повышается до более высоких напряжений. Здесь используются повышающие трансформаторы. Понижающие трансформаторы используются для понижения передаваемого напряжения вблизи центров нагрузки. Это делает трансформатор самой важной электрической машиной.
Машины электрические вращающиесяВращающиеся электрические машины, используемые для преобразования механической энергии в электрическую или наоборот. Есть три основных типа вращающихся электрических машин .
- Электрические машины постоянного тока — двигатели постоянного тока и генераторы постоянного тока
- Синхронные машины — генераторы переменного тока и синхронные двигатели
- Асинхронные двигатели или асинхронные машины
Все вращающиеся электрические машины имеют две общие основные части.Первая — это вращающаяся часть, известная как ротор, а вторая — неподвижная часть, называемая статором. Эти детали изготовлены из высокопроницаемого магнитного материала, такого как кремнистая сталь. Давайте углубимся в детали каждого из них.
Машины постоянного тока Машиныпостоянного тока доступны в различных размерах и формах от небольших шаговых двигателей в принтерах до огромных тяговых двигателей. Машина постоянного тока состоит из обмотки возбуждения на статоре и якоря на роторе.
Вид в разрезе электрических машин постоянного токаКак вы знаете, электромагнитное преобразование требует относительного движения между обмотками возбуждения и якоря.Для достижения относительного движения между статором и ротором якорь вращается снаружи с помощью первичного двигателя (турбин или двигателей). Когда якорь вращается мимо полюсов возбужденного поля, в якоре индуцируется ЭДС.
Наведенная ЭДС носит переменный характер. Чтобы преобразовать его в постоянный ток, два конца якоря подключаются к коммутатору. Коммутаторы представляют собой металлические стержни, прикрепленные к валу машин и подключенные к обмотке якоря, которые изменяют направление тока на каждые пол-оборота.Коммутатор разделен на несколько сегментов, и каждый сегмент изолирован друг от друга. Угольные щетки используются для сбора тока от коммутатора.
В машинах постоянного тока якорь всегда остается на роторе, чтобы преобразовать индуцированное переменное напряжение в постоянное. Якорь состоит из нескольких пазов и установлен на валу, который опирается на подшипник.
Двигатели постоянного токаи генераторы постоянного тока имеют одинаковую конструкцию. Обычно двигатель можно использовать в качестве генератора и наоборот.По соединению обмоток статора и ротора машину постоянного тока можно классифицировать следующим образом:
- Машины постоянного тока с независимым возбуждением
- Машины постоянного тока с самовозбуждением
В этом типе обмотки якоря и возбуждения возбуждаются отдельно. Обмотку возбуждения можно также заменить постоянным магнитом.
Двигатели с самовозбуждениемЯкорь и обмотки возбуждения самовозбуждающегося двигателя возбуждаются от одного источника питания.Возможны следующие подключения.
- Шунтирующее соединение — Якорь и поле подключены параллельно.
- Последовательное соединение — Якорь и поле соединены последовательно.
- Составное соединение
Конструктивные особенности двигателей постоянного тока такие же, как и у генераторов. Они работают над свойством притяжения между разноименными магнитными полюсами и отталкивания между одинаковыми магнитными полюсами.Регулируя напряжение возбуждения и напряжение якоря, можно управлять скоростью двигателя постоянного тока. Кроме того, различные типы методов возбуждения делают двигатели постоянного тока более универсальными.
Скоростные характеристики двигателей постоянного тока Синхронные машиныГенераторы переменного тока, присутствующие почти на всех турбинных электростанциях по всему миру, являются синхронными машинами. Генератор также может работать как двигатель, если на ротор подается постоянный ток, а на статор — переменное напряжение.Кратко рассмотрим принцип работы синхронных машин.
Изображение предоставлено: https://www.tonex.com/Якорь синхронной машины находится на статоре, а поле — на роторе. На ротор (обмотку возбуждения) подается постоянный ток, который превращает его в электромагнит. В машинах PMDC (постоянный магнит постоянного тока) обмотка возбуждения ротора заменена постоянным магнитом.
Ротор может быть цилиндрического или явнополюсного типа. Цилиндрический; роторы механически устойчивы на высоких скоростях и используются в больших турбогенераторах, тогда как машины с явным полюсом используются в низкоскоростных гидроэлектрических генераторах.
Принцип работы синхронных машин ГенераторыКогда на ротор подается постоянное напряжение, он становится электромагнитом. Если ротор приводится в движение первичным двигателем, происходит относительное движение между магнитным потоком ротора и проводником статора. Следовательно, согласно закону Фарадея в обмотке статора индуцируется ЭДС. Индуцированная ЭДС носит переменный характер, и частота чередования будет пропорциональна скорости вращения ротора.
Источник: www.wikimedia.orgВ трехфазном генераторе переменного тока три набора катушек намотаны на полюсах статора с относительным электрическим расстоянием 120 градусов. Следовательно, ЭДС, индуцированная в каждом наборе катушек, должна иметь фазовый сдвиг 120 градусов.
Двигатели синхронныеКак упоминалось ранее, постоянное напряжение подается на обмотку возбуждения синхронного двигателя, а переменный ток подается на статор для создания крутящего момента. Крутящий момент создается из-за тенденции ротора выравниваться по магнитному полю, создаваемому статором.
Когда на статор подается трехфазное переменное напряжение, создается вращающееся магнитное поле. Поскольку ротор уже имеет постоянное магнитное поле, он пытается выровняться с вращающимся магнитным полем поля статора, создавая крутящий момент.
Ротор не может мгновенно набрать скорость из-за инерции. Кроме того, скорость вращения поля статора очень высокая (50 Гц или 60 Гц). Следовательно, ротору становится трудно первоначально набрать крутящий момент. Это делает синхронный двигатель несамостоятельным.Двигатель должен приводиться в движение другим вспомогательным средством, близким к его синхронной скорости. При скорости, близкой к синхронной, поля ротора и статора блокируются друг с другом, и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью, после чего вспомогательные средства, используемые для запуска двигателя, могут быть разъединены.
Другой особенностью синхронного двигателя является то, что при перевозбуждении он действует как конденсатор и может использоваться для компенсации реактивной мощности. Двигатель, используемый для компенсации реактивной мощности, известен как синхронный конденсатор и используется в крупных энергетических установках для коррекции коэффициента мощности.
Асинхронные двигатели или асинхронные двигатели Асинхронные двигателишироко используются во всех отраслях промышленности. Без сомнения, можно сказать, что это самая используемая электрическая машина в мире. Однофазный асинхронный двигатель можно найти в каждом доме в виде потолочных вентиляторов, насосов и т. Д. Самое большое преимущество асинхронных двигателей заключается в том, что они не требуют отдельного источника питания для ротора.
Принцип работы асинхронных двигателейАсинхронные двигатели имеют трехфазную обмотку на статоре, аналогичную таковой в синхронных машинах.Когда на катушки статора подается трехфазное напряжение, образуется вращающееся магнитное поле. Это переменное магнитное поле контактирует с проводниками ротора и наводит в нем ЭДС.
Концы обмотки ротора закорочены, так что по ним протекает ток, пропорциональный наведенной ЭДС. Из-за протекания тока создается другое магнитное поле, вращающееся в том же направлении, что и у статора. Взаимодействие между этими двумя магнитными полями создает крутящий момент, который стремится вращать двигатель в направлении вращающегося магнитного поля статора.Асинхронные двигатели — это самозапускаемые двигатели.
Скорость ротора всегда меньше синхронной скорости приложенного напряжения статора. Следовательно, эти двигатели известны как асинхронные двигатели. Разница на единицу между синхронной скоростью и фактической скоростью ротора называется скольжением.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым роторомВ асинхронных двигателях возможны два типа конструкции ротора. Первый — это ротор с обмоткой, а второй — ротор с короткозамкнутым ротором. Ротор состоит из пазов для размещения проводов.Ротор с обмоткой состоит из трех фазных обмоток, аналогичных обмоткам статора в этих пазах. Один конец каждой фазы закорочен, образуя соединение типа «звезда» или «звезда», а другие концы подведены к контактному кольцу, прикрепленному к валу.
Угольные щетки используются для нарезания контактных колец на внешней клеммной коробке. К ротору можно добавить внешнее сопротивление для ограничения пускового тока.
Роторы с короткозамкнутым ротором состоят из сплошных стержней из проводящего материала, помещенных в пазы ротора.Эти проводники закорочены на обоих концах. Этот тип роторов не имеет внешних электрических соединений. Кроме того, двигатели с короткозамкнутым ротором имеют меньший пусковой момент, чем роторы с обмоткой.
Индукционные генераторыКогда асинхронный двигатель, вращающийся с определенной скоростью, вынужден вращаться выше своей синхронной скорости под действием внешней механической энергии, он действует как генератор. Такие машины известны как асинхронные генераторы. Они находят свое применение в ветроэнергетике и малых гидроэлектростанциях.
Двигатели постоянного тока с постоянным магнитомДвигатели постоянного тока с постоянными магнитами состоят из радиально расположенных постоянных магнитов на статоре. Ротор состоит из обмотки постоянного тока, подключенной к коммутатору. Принцип работы двигателей с постоянным постоянным током такой же, как и у параллельных двигателей постоянного тока, за исключением того, что они не требуют отдельного питания возбуждения. Отсутствие возбуждения снижает потери мощности, повышает эффективность и уменьшает размер по сравнению с обычными двигателями постоянного тока того же размера.
Бесщеточный двигатель постоянного токаБесщеточный двигатель постоянного тока имеет набор постоянных магнитов на роторе и полупроводник, переключаемый на статоре.Полупроводниковые переключатели преобразуют входной источник постоянного тока в пульсирующий постоянный ток для создания максимального крутящего момента при заданной скорости.
В этих двигателях положение ротора и статора инвертировано. Поле присутствует в роторе, а якорь присутствует в начале. Датчики используются для позиционирования ротора, и в зависимости от его положения полупроводниковые переключатели включаются и выключаются для выполнения требований по скорости и крутящему моменту. Эти двигатели более дороги, чем обычные двигатели постоянного тока, требуют меньшего обслуживания и имеют более длительный срок службы, чем обычные двигатели постоянного тока.
Серводвигатель Серводвигателииспользуются для точного управления положением. Это бесщеточные двигатели постоянного тока в сочетании с датчиками положения, такими как энкодеры и потенциометры. Серводвигатели используются для управления положением с обратной связью. Они находят свое применение в морской навигации, автоматических станках, самолетах, роботах, регуляторах скорости и т. Д.
Шаговые двигателиШаговые двигатели — это двигатели с импульсным приводом, используемые для управления положением.Эти двигатели могут перемещаться под определенным углом для каждой применяемой фазы управления. Для них не требуются датчики положения.
Машина постоянного тока — конструкция, работа, типы, уравнение электромагнитного поля и приложения
Машины постоянного тока можно разделить на два типа: двигатели постоянного тока и генераторы постоянного тока . Большинство машин постоянного тока эквивалентны машинам переменного тока, потому что они включают в себя как переменные токи, так и переменные напряжения. Выход машины постоянного тока — это выход постоянного тока, потому что они преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.Преобразование этого механизма известно как коммутатор, поэтому эти машины также называются коммутаторами. Машина постоянного тока чаще всего используется в качестве двигателя. Основные преимущества этой машины включают регулировку крутящего момента, а также легкую скорость. Применение машины постоянного тока ограничено поездами, мельницами и шахтами. Например, в вагонах метро, а также в троллейбусах могут использоваться двигатели постоянного тока. В прошлом автомобили проектировались с динамо-машинами постоянного тока для зарядки батарей.
Что такое машина постоянного тока?
Машина постоянного тока — это электромеханическое устройство для преобразования энергии. Принцип работы машины постоянного тока заключается в том, что электрический ток протекает через катушку в магнитном поле, а затем магнитная сила создает крутящий момент, который вращает двигатель постоянного тока. Машины постоянного тока подразделяются на два типа, такие как генератор постоянного тока и двигатель постоянного тока.
Машина постоянного токаОсновная функция генератора постоянного тока заключается в преобразовании механической энергии в электрическую мощность постоянного тока, тогда как двигатель постоянного тока преобразует мощность постоянного тока в механическую энергию.Электродвигатель переменного тока часто используется в промышленных приложениях для преобразования электрической энергии в механическую. Однако двигатель постоянного тока применим там, где необходимо хорошее регулирование скорости и широкий диапазон скоростей, например, в системах электрических транзакций.
Конструкция машины постоянного тока
Конструкция машины постоянного тока может быть выполнена с использованием некоторых основных частей, таких как ярмо, полюсный сердечник и полюсные наконечники, полюсная катушка и обмотка возбуждения, сердечник якоря, обмотка якоря или проводник, коммутатор, щетки и подшипники.Некоторые из частей машины постоянного тока обсуждаются ниже.
Конструкция машины постоянного токаХомут
Другое название ярма — рама. Основная функция ярма в машине — обеспечить механическую опору, предназначенную для столбов, и защитить всю машину от влаги, пыли и т. Д. Материалы, используемые в ярме, изготовлены из чугуна, литой стали или прокатной стали.
Полюс и полюс
Полюс машины постоянного тока представляет собой электромагнит, а обмотка возбуждения намотана между полюсами.Когда обмотка возбуждения находится под напряжением, полюс дает магнитный поток. Материалы, используемые для этого, — литая сталь, чугун или сердечник полюса. Он может быть изготовлен из отожженных стальных пластин для уменьшения падения мощности из-за вихревых токов.
Ботинки для столба
Башмак для столба в машине постоянного тока является обширной деталью, а также для увеличения области полюса. Из-за этой области поток может распространяться внутри воздушного зазора, а дополнительный поток может проходить через воздушное пространство к якорю.Материал, используемый для изготовления полюсного башмака, — это чугун, в противном случае — литой конь, а также использовалась отожженная стальная пластина, чтобы уменьшить потери мощности из-за вихревых токов.
Обмотки возбуждения
В этом случае обмотки намотаны в области полюсного сердечника и называются катушкой возбуждения. Когда ток подается через обмотку возбуждения, он приводит в действие полюсы, которые создают необходимый магнитный поток. Материал обмоток возбуждения — медь.
Сердечник якоря
Сердечник арматуры включает в себя огромное количество пазов по краю.В этих пазах находится провод якоря. Он обеспечивает путь с низким сопротивлением к потоку, создаваемому обмоткой возбуждения. Материалы, используемые в этом сердечнике, представляют собой материалы с низкой магнитной проницаемостью, такие как литое железо. Ламинирование используется для уменьшения потерь из-за вихревых токов.
Обмотка якоря
Обмотка якоря может быть образована путем соединения проводников якоря между собой. Когда обмотка якоря поворачивается с помощью первичного двигателя, в ней индуцируется как напряжение, так и магнитный поток.Эта обмотка подключена к внешней цепи. Материалы, используемые для этой обмотки, представляют собой проводящий материал, такой как медь.
Коммутатор
Основная функция коммутатора в машине постоянного тока — собирать ток с проводника якоря, а также подавать ток на нагрузку с помощью щеток. А также обеспечивает однонаправленный крутящий момент для двигателя постоянного тока. Коммутатор может быть построен с огромным количеством сегментов в форме ребра жестко тянутой меди. Сегменты в коммутаторе защищены тонким слоем слюды.
Кисти
Щетки в машине постоянного тока собирают ток от коммутатора и подают его на внешнюю нагрузку. Щетки изнашиваются со временем, чтобы часто проверять. В щетках используются графит, в противном случае — углерод, имеющий прямоугольную форму.
Типы машин постоянного тока
Возбуждение машины постоянного тока подразделяется на два типа: раздельное возбуждение и самовозбуждение. В машинах постоянного тока с отдельным типом возбуждения катушки возбуждения активируются отдельным источником постоянного тока.В машинах постоянного тока с самовозбуждением ток через обмотку возбуждения подается вместе с машиной. Основные типы машин постоянного тока подразделяются на четыре типа, включая следующие.
- Машина постоянного тока с независимым возбуждением
- Шунтирующий / шунтирующий аппарат. Машина для намотки / серии
- .
- Машина для комплексных обмоток / смешанных машин.
Отдельно возбужденное
В машине с независимым возбуждением постоянного тока для активации катушек возбуждения используется отдельный источник постоянного тока.
Шунтирующая рана
В машинах постоянного тока с шунтирующей обмоткой катушки возбуждения соединены параллельно через якоря . Поскольку шунтирующее поле получает полное напряжение o / p генератора, иначе — напряжение питания двигателя, оно обычно состоит из огромного количества витков тонкой проволоки с небольшим током возбуждения.
Обмотка серииВ машинах постоянного тока с последовательной намоткой катушки возбуждения соединены последовательно через якорь. Поскольку последовательная обмотка возбуждения получает ток якоря, а также большой ток якоря, в связи с этим последовательная обмотка возбуждения включает в себя несколько витков проволоки с большим поперечным сечением.
Многослойная рана
Составная машина включает как последовательные, так и шунтирующие поля. Две обмотки подключены к каждому полюсу машины. Последовательная намотка машины включает в себя несколько витков огромной области поперечного сечения, а также шунтирующие обмотки, включающие несколько витков тонкой проволоки.
Подключение составной машины можно выполнить двумя способами. Если шунтирующее поле соединено параллельно только якорем, то машину можно назвать « короткой шунтирующей составной машиной », и если шунтирующее поле соединено параллельно как арматурой, так и последовательным полем, тогда машина называется «машина с длинным шунтом».
Уравнение ЭДС машины постоянного тока
Машина постоянного тока e.m.f может быть определена как когда якорь в машине постоянного тока вращается, напряжение может генерироваться внутри катушек. В генераторе ЭДС вращения можно назвать генерируемой ЭДС, а Er = Eg. В двигателе ЭДС вращения можно назвать встречной или обратной ЭДС, а Er = Eb.
Пусть Φ — полезный поток для каждого полюса в пределах webers
P — общее количество полюсов
z — общее количество проводников внутри якоря
n — скорость вращения якоря в оборот за секунду
A — это нет.параллельных полос по всей арматуре среди щеток противоположной полярности.
Z / A — это нет. проводов якоря в серии для каждой параллельной полосы
Поскольку магнитный поток для каждого полюса равен «Φ», каждый проводник режет магнитный поток «PΦ» за один оборот.
Напряжение, создаваемое для каждого проводника = наклон потока на каждый оборот в WB / Время, затраченное на один оборот в секундах
Поскольку «n» оборотов совершаются за одну секунду, а 1 оборот будет выполнен за 1 / n секунду.Таким образом, время одного оборота якоря составляет 1 / нсек.
Нормативное значение производимого напряжения для каждого проводника
p Φ / 1 / n = np Φ вольт
Вырабатываемое напряжение (E) может быть определено с помощью количества проводов якоря в серии I на любой отдельной дорожке между щетками, таким образом, все создаваемое напряжение
E = стандартное напряжение для каждого проводника x № проводов в серии по каждой полосе
E = n.P.Φ x Z / A
Вышеупомянутое уравнение — это e.м.ф. уравнение машины постоянного тока.
Машина постоянного тока против машины переменного тока
Разница между двигателем переменного тока и двигателем постоянного тока заключается в следующем.
Двигатель переменного тока | Двигатель постоянного тока |
| Двигатель переменного тока — это электрическое устройство, приводимое в действие от сети переменного тока | Двигатель постоянного тока — это один из видов вращающихся двигателей, используемых для преобразования энергии постоянного тока в механическую. |
| Они подразделяются на два типа, такие как синхронные и асинхронные двигатели. | Эти двигатели доступны двух типов, например, щеточные двигатели. |
| Электродвигатель переменного тока питается от переменного тока | Входное питание двигателя постоянного тока — постоянный ток |
| В этом моторе нет щеток и коммутаторов. | В этом двигателе присутствуют угольные щетки и коммутаторы. |
| Входные фазы питания двигателей переменного тока одно- и трехфазные | Входные фазы питания двигателей постоянного тока однофазные |
| Характеристики якоря двигателей переменного тока: якорь неактивен, а магнитное поле вращается. | Характеристики якоря двигателей постоянного тока: якорь вращается, а магнитное поле остается неактивным. |
| Он имеет три входных терминала, таких как RYB. | Он имеет две входные клеммы, такие как положительный и отрицательный |
| Управление скоростью двигателя переменного тока может осуществляться путем изменения частоты. | Регулировка скорости двигателя постоянного тока может осуществляться путем изменения тока обмотки якоря |
| КПД двигателя переменного тока ниже из-за потери индукционного тока и скольжения двигателя. | Эффективность двигателя постоянного тока высока из-за отсутствия индукционного тока и скольжения |
| Не требует обслуживания | Требует обслуживания |
| Двигатели переменного тока используются везде, где требуется высокая скорость, а также переменный крутящий момент. | Двигатели постоянного токаиспользуются везде, где требуется регулируемая скорость, а также высокий крутящий момент. |
| На практике они используются в крупных отраслях промышленности | На практике они используются в бытовой технике |
Потери в машине постоянного тока
Мы знаем, что основная функция машины постоянного тока — преобразовывать механическую энергию в электрическую.При использовании этого метода преобразования вся входная мощность не может быть преобразована в выходную мощность из-за потерь мощности в различных формах. Тип потери может меняться от одного устройства к другому. Эти потери снизят эффективность устройства, а также увеличат температуру. Потери энергии в машинах постоянного тока можно разделить на электрические, в противном случае — потери на медь, потери в сердечнике или потери в железе, механические потери, потери в щетках и потери при рассеянной нагрузке.
Преимущества машины постоянного тока
К преимуществам этой машины можно отнести следующее.
- Машины постоянного тока, такие как двигатели постоянного тока, имеют различные преимущества, такие как высокий пусковой крутящий момент, реверсирование, быстрый запуск и остановка, изменяемые скорости через входное напряжение
- Они очень легко контролируются, а также дешевле по сравнению с AC .
- Контроль скорости хороший
- Крутящий момент высокий
- Работа бесшовная
- Без гармоник
- Простота установки и обслуживания
Применение машины постоянного тока
В настоящее время производство электроэнергии может производиться в больших объемах в виде переменного тока (переменного тока).Следовательно, использование машин постоянного тока, таких как двигатели и генераторы, генераторы постоянного тока крайне ограничено, поскольку они используются в основном для обеспечения возбуждения генераторов переменного тока крошечного и среднего диапазона. В промышленности аппараты постоянного тока используются для различных процессов, таких как сварка, электролитика и т. Д.
Обычно генерируется переменный ток, а затем он преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей. Следовательно, генератор постоянного тока подавляется с помощью источника переменного тока, который выпрямляется для использования в нескольких приложениях.Двигатели постоянного тока часто используются в качестве приводов с регулируемой скоростью и там, где происходят серьезные изменения крутящего момента.
Применение машины постоянного тока в качестве двигателя используется путем разделения на три типа, таких как последовательный, шунтирующий и составной, тогда как применение машины постоянного тока в качестве генератора подразделяется на генераторы с раздельным возбуждением, последовательные и шунтирующие генераторы.
Таким образом, речь идет о машинах постоянного тока. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что машины постоянного тока — это генератор постоянного тока и двигатель постоянного тока.Генератор постоянного тока в основном используется для подачи источников постоянного тока к машине постоянного тока на электростанциях. В то время как двигатель постоянного тока приводит в действие некоторые устройства, такие как токарные станки, вентиляторы, центробежные насосы, печатные машины, электровозы, подъемники, краны, конвейеры, прокатные станы, авто-рикши, льдогенераторы и т. Д. Вот вопрос к вам, что такое коммутация в машина постоянного тока?
Детали двигателя постоянного тока, конструкция, конструкция и преимущества
— Реклама —
В этой статье, после очень краткого описания двигателей постоянного тока, вы узнаете об их различных типах конструкции, а затем об их частях, компонентах и конструкциях. .Затем мы переходим к объяснению использования и применения двигателя постоянного тока в различных масштабах. Последнее, что мы обсудим, это их преимущества и недостатки, чтобы помочь вам сделать лучший выбор. Итак, давайте узнаем о конструкции двигателя постоянного тока и его частей с помощью Linquip. Но сначала о двигателе :
Что такое двигатель постоянного тока?
Двигатели постоянного тока — это устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую! Это вращающееся электрическое устройство бывает разных типов, все они содержат либо внутренний электронный механизм, либо внутренний электромеханический механизм, отвечающий за изменение направления тока в двигателе.
Различные типы двигателей постоянного тока
Некоторые из наиболее популярных конструкций двигателей постоянного тока — это постоянный магнит, бесщеточный, шунтирующий, последовательный и составной намотанный или стабилизированный шунт. Детали двигателя постоянного тока обычно одинаковы в этих различных конструкциях, и общая работа аналогична. Принцип его работы заключается в том, что проводник, по которому проходит ток, имплантируется в магнитное поле, а мощность, передаваемая через проводники, позволяет вращать двигатель. Генерация электромагнитных полей и их место, будь то в роторе или статоре, является причиной, по которой эти конструкции отличаются друг от друга.Поскольку знакомство с различными типами двигателей постоянного тока и их понимание поможет вам понять, как они используются для различных приложений и какой из них больше подходит для вашего приложения, ниже мы подробно рассмотрим функции некоторых из этих типов.
- Двигатели с постоянным магнитом
В двигателях с постоянным магнитом (также известный как двигатель с постоянным магнитом) применяется постоянный магнит для создания магнитного поля. Этот тип двигателей постоянного тока создает отличный пусковой крутящий момент с хорошей регулировкой скорости.Имея ограниченный крутящий момент, тип постоянного магнита обычно используется в приложениях с низкой мощностью. - Шунтирующие двигатели
поле параллельного типа подключено параллельно обмоткам якоря. Поскольку шунтирующее поле может возбуждаться отдельно от обмоток якоря, этот тип двигателей обеспечивает прекрасное регулирование скорости. Кроме того, параллельные двигатели также предлагают упрощенное управление реверсированием. - Двигатели серии
Последовательный двигатель постоянного тока состоит из полевой обмотки с несколькими витками провода, по которому проходит ток якоря.Как и двигатели постоянного тока, серийные двигатели создают большой пусковой момент. По сравнению с постоянными двигателями, серийный тип не может регулировать скорость. Кроме того, если серийные двигатели работают без нагрузки, они могут выйти из строя. Эти ограничения делают серийные двигатели непригодными для применения в приводах с регулируемой скоростью. - Составные двигатели
Как и параллельные двигатели постоянного тока, составные двигатели обладают шунтирующим полем, которое возбуждается отдельно. Так же, как постоянные и серийные двигатели, составные двигатели обладают хорошим пусковым моментом с некоторыми проблемами в регулировании скорости в приводах с регулируемой скоростью.
Эти четыре основных типа двигателей постоянного тока имеют множество потенциальных применений. Каждый тип этих двигателей имеет свои сильные и слабые стороны. Как упоминалось в начале этого раздела, знакомство с различными типами может помочь вам понять, какой тип больше подходит для ваших приложений.
Что такое детали двигателя постоянного тока и как они работают?
Двигатель постоянного тока состоит из разных частей, понимание каждой из которых может помочь понять, как эти части взаимодействуют друг с другом и, в конце концов, как работают DC.Этими компонентами являются: статор, ротор, ярмо, полюса, обмотки якоря, обмотки возбуждения, коммутатор и щетки. Многие его части такие же, как и у электродвигателя переменного тока, но с небольшими изменениями.
Статор
Статор — это одна из частей двигателя постоянного тока, которая, как следует из названия, представляет собой статический блок, содержащий обмотки возбуждения. Статор — это часть двигателя постоянного тока, на которую подается питание.
Ротор
Динамическая часть двигателя постоянного тока — это ротор, который создает механическое вращение агрегата.
Хомут
Еще одним элементом деталей двигателя постоянного тока является Хомут. Ярмо — это магнитная рамка, сделанная из чугуна, а иногда и из стали, которая работает как предохранитель. Эта защитная крышка сохраняет внутренние части двигателя в целости и сохранности, а также поддерживает якорь. Ярмо также содержит магнитные полюса и обмотки возбуждения двигателя постоянного тока, помогающие поддерживать систему возбуждения.
Полюса
Двигатель постоянного тока имеет магнитные полюса, которые вставляются во внутреннюю стенку ярма с помощью винтов для их закрепления.Поляки состоят из двух частей: полюсного ядра и полюсного башмака. Эти две части скреплены гидравлическим давлением и прикреплены к вилке. У каждой части поляков есть конкретная задача, основанная на ее конструкции. Сердечник удерживает полюсный башмак над ярмом, в то время как полюсный башмак сконструирован так, чтобы нести прорези для обмотки возбуждения и распределять поток, создаваемый обмотками возбуждения, в воздушный зазор между ротором и статором. Это помогает уменьшить потери, вызванные сопротивлением.
Обмотки возбуждения
Обмотки возбуждения, изготовленные из медного провода (обмотки возбуждения), вращаются вокруг пазов полюсных башмаков.Обмотки возбуждения образуют электромагнит, способный создавать магнитный поток. Якорь ротора вращается внутри магнитного поля, что приводит к эффективному отсечению магнитного потока.
Подробнее о Linquip
Детали генератора постоянного тока: объяснение деталей, работа, типы, преимущества и недостаткиОбмотки якоря
Еще одна деталь двигателя постоянного тока — это обмотка якоря. Обмотка якоря двигателя постоянного тока имеет две конструкции: круговая обмотка и волновая обмотка. Их разница в количестве параллельных путей.Обмотка якоря прикреплена к ротору и изменяет магнитное поле на пути его вращения. Результатом этой процедуры являются магнитные потери. Разработчики стараются уменьшить магнитные потери, сделав сердечник якоря слоистым слоем кремнистой стали с низким гистерезисом. Затем ламинированные стальные листы складываются вместе, создавая цилиндрическую структуру сердечника якоря. Внутри сердечника якоря выполнены прорези из того же материала.
Коммутатор двигателя постоянного тока
Коммутатор представляет собой разрезное кольцо, состоящее из медных сегментов, коммутатор — еще одна часть двигателя постоянного тока.Операционная система постоянного тока основана на взаимодействии двух магнитных полей вращающегося якоря и неподвижного статора. Поскольку северный полюс якоря притягивается к южному полюсу статора, а южный полюс якоря притягивается к северному полюсу статора, на якорь создается сила, которая заставляет его вращаться. Процесс, при котором поле в обмотках якоря переключается для создания постоянного крутящего момента в одном направлении, называется коммутацией. Коммутатор — это устройство, подключенное к якорю, позволяющее переключать ток.Различные сегменты его цилиндрической конструкции изолированы друг от друга слюдой. Коммутатор предназначен для коммутации питающего тока обмотки якоря от сети. Коммутатор проходит через щетки двигателя постоянного тока.
Основная цель коммутации — удостовериться, что крутящий момент, действующий на якорь, всегда в одном и том же направлении. Естественно, что генерируемое в якоре напряжение переменное, коммутатор преобразует его в постоянный ток. Чтобы контролировать направление электромагнитных полей, коммутатор включает и выключает катушки.С одной стороны катушки электричество всегда должно уходить, а с другой стороны, электричество всегда должно течь навстречу. Это гарантирует, что крутящий момент всегда создается в одном и том же направлении.
Щетки
Последний пункт в списке деталей двигателя постоянного тока — это щетки, изготовленные из углеродных или графитовых структур. Щетки с коммутатором работают как мост для подключения статической электрической цепи к ротору. Щетки контактируют с коммутатором и передают вырабатываемый ток на коммутатор от внешней цепи.Затем ток проходит в обмотку якоря.
Применение двигателей постоянного тока
В связи с тем, что существует 4 основных типа двигателей постоянного тока, для двигателей постоянного тока определен широкий спектр различных применений. В предыдущих разделах были рассмотрены некоторые из различных частей и типов контроллеров домена. В этом разделе мы собираемся представить различные приложения и обстоятельства, в которых используются двигатели постоянного тока.
Как правило, из-за определенных преимуществ каждого типа двигателей постоянного тока их можно использовать по-разному.В домашних условиях мелкие используются в инструментах, игрушках и многих бытовых приборах. Некоторые другие применения DC включают конвейеры и поворотные столы, а в промышленности огромные области применения DC состоят из приложений торможения и реверсирования. Мы попытались привести некоторые конкретные примеры в качестве приложений DC:
Насосы
Гидравлические насосы как важный промышленный инструмент используются почти во всех отраслях промышленности, таких как строительство, горнодобывающая промышленность, производство и сталь. Двигатели постоянного тока благодаря их регулированию скорости и отличному пусковому крутящему моменту используются для усиления этих типов насосов.В большинстве случаев в насосах используются более дешевые бесщеточные преобразователи постоянного тока, которые значительно упрощают обслуживание в таких крупных промышленных масштабах.
Игрушки
Благодаря тому, что небольшие двигатели постоянного тока просты в использовании и обладают значительной прочностью, они являются лучшим выбором производителей и любителей для детских игрушек, таких как автомобили и поезда с дистанционным управлением. Игрушки, требующие различного диапазона скорости и типов движений, нуждаются в двигателе с большим разнообразием напряжений. Производители находят все эти спецификации в контроллерах домена.
Электромобили
Другое применение DC — электромобили. Двигатели постоянного тока из-за их энергоэффективности и долговечности являются одним из самых любимых вариантов электромобилей. Более того, многие любители используют постоянный ток из-за их большого и более высокого пускового момента, особенно двигателей с последовательной обмоткой, и их переменной скорости с входным напряжением.
Роботы
Для многих любителей и инженеров роботы — это любые электромеханические устройства, предназначенные для выполнения одной или нескольких конкретных задач.Двигатели постоянного тока — один из наиболее доступных и разумных вариантов с меньшими затратами для активации таких вещей, как гусеницы, манипулятор или камеры. Такие особенности, как высокий крутящий момент и долговечность, а также эффективность, делают DC идеально подходящими для робототехники.
Двигатель постоянного тока Преимущества и недостатки
Различные размеры деталей двигателя постоянного тока создают разные двигатели постоянного тока, подходящие для различных нужд. Как упоминалось ранее, маленькие можно использовать в игрушках, инструментах и бытовой технике, а более крупные — в лифтах, подъемниках и двигателях электромобилей.Хотя двигатели переменного тока снизили продажи двигателей постоянного тока из-за простой генерации и передачи с меньшими потерями на большие расстояния, необходимости меньшего обслуживания и возможности эксплуатации во взрывоопасных средах, двигатели постоянного тока все еще используются там, где переменного тока не могут удовлетворить потребности. У двигателей постоянного тока есть свои уникальные особенности и важность в отраслях, которые компенсируют множество других преимуществ перед двигателями переменного тока.
Двигатели постоянного тока подходят для низкоскоростного крутящего момента или когда необходима регулируемая скорость и постоянная.Другими словами, с двигателями постоянного тока можно регулировать скорость в широком диапазоне, что означает, что они предлагают широкий диапазон регулирования скорости как ниже, так и выше номинальной. Эта особенность двигателей постоянного тока может быть реализована в шунтирующих типах. Благодаря управлению якорем и полевым управлением вы можете воспользоваться этим уникальным преимуществом двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока. Более того, DC имеют очень высокий и сильный пусковой крутящий момент по сравнению с нормальным рабочим крутящим моментом. Поэтому DC используются в электропоездах и кранах, которые в начальных условиях создают огромную нагрузку.В дополнение к вышеупомянутым преимуществам двигатели постоянного тока имеют преобразователи и приводы меньшего размера, а также более высокую удельную мощность двигателя. Не говоря уже о том, что у них полный крутящий момент при нулевой скорости!
Двигатели постоянного тока присутствуют на рынке более 140 лет и зачастую более доступны по цене, чем двигатели переменного тока, и имеют более простую и эффективную конструкцию. Кроме того, их обслуживание простое и не занимает много времени. Если вы перепроектируете свою текущую установку для использования двигателя переменного тока, это будет стоить намного дороже, чем простая замена двигателя постоянного тока внутри установки.Таким образом, вы не только ремонтируете свою систему, устанавливая внутри новый блок, но и экономите много денег. Излишне говорить, что такая небольшая замена также экономит время и происходит быстро, не теряя вашего времени. Вам нужно больше преимуществ, чтобы полюбить детали и конструкцию двигателя постоянного тока?
Теперь, когда вы здесь, вы знаете детали и функции двигателя постоянного тока на основе информации, которую Linquip предоставила вам в этой статье. Поделитесь с нами своими комментариями в разделе комментариев и поделитесь своими мыслями и вопросами при чтении этой статьи.Вам нужно быстро найти ответ на свои вопросы и устранить неполадки в части двигателя постоянного тока? Зарегистрируйтесь на нашем сайте, и эксперт будет рядом с вами.
— Реклама —
Двигатели постоянного тока и шаговые двигатели, используемые в качестве приводов
Электрические двигатели постоянного тока — это исполнительные механизмы непрерывного действия, которые преобразуют электрическую энергию в механическую. Двигатель постоянного тока достигает этого за счет непрерывного углового вращения, которое можно использовать для вращения насосов, вентиляторов, компрессоров, колес и т. Д.
Наряду с обычными роторными двигателями постоянного тока доступны также линейные двигатели, которые способны производить непрерывное движение футеровки. В основном доступны три типа обычных электродвигателей: электродвигатели переменного тока, электродвигатели постоянного тока и шаговые электродвигатели.
A Типичный малый двигатель постоянного тока
Двигатели переменного тока обычно используются в одно- или многофазных промышленных системах большой мощности, где постоянный крутящий момент и скорость требуются для управления большими нагрузками, такими как вентиляторы или насосы.
В этом руководстве по электродвигателям мы рассмотрим только простые легкие двигатели постоянного тока и Шаговые двигатели , которые используются во многих различных типах электронных схем, схем позиционного управления, микропроцессоров, PIC и роботизированных схем.
Базовый двигатель постоянного тока
Электродвигатель постоянного тока или Двигатель постоянного тока , чтобы дать ему свое полное название, является наиболее часто используемым приводом для обеспечения непрерывного движения, скорость вращения которого можно легко контролировать, что делает их идеальными для использования в приложениях, где регулирование скорости, сервоуправление и / или позиционирование.Двигатель постоянного тока состоит из двух частей: «статора», который является неподвижной частью, и «ротора», который является вращающейся частью. В результате существует три основных типа двигателей постоянного тока.
- Щеточный двигатель — Этот тип двигателя создает магнитное поле в намотанном роторе (часть, которая вращается), пропуская электрический ток через коллектор и узел угольной щетки, отсюда и термин «щеточный». Магнитное поле статора (неподвижной части) создается либо с помощью намотанной обмотки возбуждения статора, либо с помощью постоянных магнитов.Обычно щеточные электродвигатели постоянного тока дешевы, компактны и просты в управлении.
- Бесщеточный двигатель — Этот тип двигателя создает магнитное поле в роторе с помощью прикрепленных к нему постоянных магнитов, а коммутация осуществляется электронным способом. Как правило, они меньше, но дороже обычных щеточных двигателей постоянного тока, поскольку в статоре используются переключатели с эффектом Холла для обеспечения требуемой последовательности вращения поля статора, но они имеют лучшие характеристики крутящего момента / скорости, более эффективны и имеют более длительный срок службы. чем эквивалентные матовые типы. Серводвигатель
- — Этот тип двигателя в основном представляет собой щеточный двигатель постоянного тока с некоторой формой позиционного управления с обратной связью, подключенной к валу ротора. Они подключаются к контроллеру типа PWM и управляются им и в основном используются в системах позиционного управления и радиоуправляемых моделях.
Нормальные двигатели постоянного тока имеют почти линейные характеристики, при этом их скорость вращения определяется приложенным напряжением постоянного тока, а их выходной крутящий момент определяется током, протекающим через обмотки двигателя.Скорость вращения любого двигателя постоянного тока может варьироваться от нескольких оборотов в минуту (об / мин) до многих тысяч оборотов в минуту, что делает их пригодными для применения в электронике, автомобилестроении или робототехнике. Соединяя их с коробками передач или зубчатыми передачами, их выходная скорость может быть уменьшена, в то же время увеличивая выходной крутящий момент двигателя на высокой скорости.
«Матовый» электродвигатель постоянного тока
Обычный щеточный двигатель постоянного тока состоит в основном из двух частей: неподвижного корпуса двигателя, называемого статором , и внутренней части, которая вращается, создавая движение, называемое ротором или «якорем» для машин постоянного тока.
Электродвигатели с обмоткой статора представляют собой цепь электромагнита, которая состоит из электрических катушек, соединенных вместе в круговой конфигурации для создания необходимого северного полюса, затем южного полюса, затем северного полюса и т. Д., Типа стационарной системы магнитного поля для вращения, в отличие от машин переменного тока. поле статора которого постоянно вращается с приложенной частотой. Ток, протекающий в этих катушках возбуждения, известен как ток возбуждения двигателя.
Эти электромагнитные катушки, которые образуют поле статора, могут быть электрически соединены последовательно, параллельно или оба вместе (составные) с якорем двигателя.В двигателе постоянного тока с последовательной обмоткой обмотки возбуждения статора серии соединены с якорем. Аналогичным образом, обмотки возбуждения статора двигателя постоянного тока с шунтовой обмоткой соединены параллельно с якорем, как показано.
Электродвигатель постоянного тока сериии шунтирующий двигатель
Ротор или якорь машины постоянного тока состоит из токоведущих проводов, соединенных вместе на одном конце с электрически изолированными медными сегментами, называемыми коммутатором .Коммутатор позволяет выполнять электрическое соединение через угольные щетки (отсюда и название «щеточный двигатель») к внешнему источнику питания во время вращения якоря.
Магнитное поле, устанавливаемое ротором, пытается выровняться со стационарным полем статора, заставляя ротор вращаться вокруг своей оси, но не может выровняться из-за задержек коммутации. Скорость вращения двигателя зависит от силы магнитного поля ротора, и чем больше напряжения приложено к двигателю, тем быстрее будет вращаться ротор.Изменяя это приложенное напряжение постоянного тока, можно также изменять скорость вращения двигателя.
Обычный (щеточный) двигатель постоянного тока
Щеточный электродвигатель постоянного тока с постоянным магнитом (PMDC), как правило, намного меньше и дешевле, чем его аналогичные аналоги электродвигателей постоянного тока с обмоткой статора, поскольку они не имеют обмотки возбуждения. В двигателях постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC) эти катушки возбуждения заменены сильными редкоземельными магнитами (например, самарий-коболт или неодим-железо-бор), которые имеют очень сильные магнитные поля.
Использование постоянных магнитов дает двигателю постоянного тока гораздо лучшую линейную характеристику скорости / крутящего момента по сравнению с эквивалентными двигателями с обмоткой из-за постоянного, а иногда и очень сильного магнитного поля, что делает их более подходящими для использования в моделях, робототехнике и сервоприводах.
Хотя щеточные электродвигатели постоянного тока очень эффективны и дешевы, проблемы, связанные с щеточными электродвигателями постоянного тока, заключаются в том, что в условиях большой нагрузки между двумя поверхностями коллектора и угольных щеток возникает искрение, что приводит к самогенерированию тепла, короткому сроку службы и электрическому шуму из-за искрение, которое может повредить любое полупроводниковое переключающее устройство, такое как полевой МОП-транзистор или транзистор.Чтобы преодолеть эти недостатки, были разработаны бесщеточные двигатели постоянного тока .
Бесщеточный двигатель постоянного тока
Бесщеточный двигатель постоянного тока (BDCM) очень похож на двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, но не имеет щеток, которые необходимо заменить или изнашивать из-за искрения коллектора. Поэтому в роторе выделяется мало тепла, что увеличивает срок службы двигателей. Конструкция бесщеточного двигателя устраняет необходимость в щетках за счет использования более сложной схемы привода, в которой магнитное поле ротора представляет собой постоянный магнит, который всегда синхронизирован с полем статора, что позволяет более точно контролировать скорость и крутящий момент.
Тогда конструкция бесщеточного двигателя постоянного тока очень похожа на двигатель переменного тока, что делает его истинным синхронным двигателем, но одним недостатком является то, что он более дорогой, чем конструкция эквивалентного «щеточного» двигателя.
Управление бесщеточными двигателями постоянного тока сильно отличается от обычного щеточного двигателя постоянного тока, поскольку этот тип двигателя включает в себя некоторые средства для определения углового положения роторов (или магнитных полюсов), необходимых для создания сигналов обратной связи, необходимых для управления полупроводником. коммутационные устройства.Наиболее распространенным датчиком положения / полюса является «датчик эффекта Холла», но в некоторых двигателях также используются оптические датчики.
Используя датчики на эффекте Холла, полярность электромагнитов переключается схемой управления двигателем. Затем двигатель можно легко синхронизировать с цифровым тактовым сигналом, обеспечивая точное управление скоростью. Бесщеточные двигатели постоянного тока могут иметь внешний ротор с постоянными магнитами и статор внутреннего электромагнита или внутренний ротор с постоянными магнитами и статор внешнего электромагнита.
Преимущества бесщеточного двигателя постоянного тока по сравнению с его «щеточным» собратом — это более высокий КПД, высокая надежность, низкий электрический шум, хорошее управление скоростью и, что более важно, отсутствие щеток или коммутатора, которые изнашиваются, обеспечивая гораздо более высокую скорость. Однако их недостаток в том, что они более дороги и их сложнее контролировать.
Серводвигатель постоянного тока
Серводвигатели постоянного тока используются в приложениях с замкнутым контуром, где положение выходного вала двигателя передается обратно в схему управления двигателем.Типичные устройства позиционной «обратной связи» включают резольверы, энкодеры и потенциометры, которые используются в моделях радиоуправления, таких как самолеты, лодки и т. Д.
Серводвигатель обычно включает в себя встроенный редуктор для снижения скорости и способен напрямую передавать высокие крутящие моменты. Выходной вал серводвигателя не вращается свободно, как валы двигателей постоянного тока, из-за присоединенной коробки передач и устройств обратной связи.
Блок-схема серводвигателя постоянного токаСерводвигатель состоит из двигателя постоянного тока, редуктора, устройства обратной связи по положению и некоторой формы коррекции ошибок.Скорость или положение регулируются в зависимости от входного сигнала положения или опорного сигнала, подаваемого на устройство.
Серводвигатель с дистанционным управлением
Усилитель обнаружения ошибок смотрит на этот входной сигнал и сравнивает его с сигналом обратной связи от выходного вала двигателя и определяет, находится ли выходной вал двигателя в состоянии ошибки, и, если да, контроллер вносит соответствующие корректировки, либо ускоряя двигатель, либо замедляя его. Эта реакция на устройство обратной связи по положению означает, что серводвигатель работает в «замкнутой системе».
Помимо крупных промышленных приложений, серводвигатели также используются в небольших моделях дистанционного управления и робототехнике, при этом большинство серводвигателей могут вращаться примерно на 180 градусов в обоих направлениях, что делает их идеальными для точного углового позиционирования. Однако эти сервоприводы RC-типа не могут постоянно вращаться с высокой скоростью, как обычные двигатели постоянного тока, если не были внесены специальные изменения.
Серводвигатель состоит из нескольких устройств в одном корпусе, двигателя, коробки передач, устройства обратной связи и коррекции ошибок для управления положением, направлением или скоростью.Они широко используются в робототехнике и небольших моделях, поскольку ими легко управлять с помощью всего трех проводов: Power , Ground и Signal Control .
Коммутация и управление двигателями постоянного тока
Малые двигатели постоянного тока можно включать или выключать с помощью переключателей, реле, транзисторов или цепей MOSFET, причем простейшей формой управления двигателем является «линейное» управление. Этот тип схемы использует биполярный транзистор в качестве переключателя (транзистор Дарлингтона также может использоваться, если требуется более высокий номинальный ток) для управления двигателем от одного источника питания.
Изменяя величину базового тока, протекающего через транзистор, можно управлять скоростью двигателя, например, если транзистор включен «наполовину», то только половина напряжения питания поступает на двигатель. Если транзистор включен «полностью» (насыщен), то все напряжение питания поступает на двигатель, и он вращается быстрее. Затем для этого линейного типа управления мощность постоянно подается на двигатель, как показано ниже.
Контроль скорости двигателя
Простая схема переключения выше показывает схему для однонаправленной цепи управления скоростью двигателя (только в одном направлении).Поскольку скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна напряжению на его выводах, мы можем регулировать это напряжение на выводах с помощью транзистора.
Два транзистора соединены как пара Дарлингтона для управления основным током якоря двигателя. Потенциометр 5 кОм используется для управления величиной базового возбуждения первого контрольного транзистора TR 1 , который, в свою очередь, управляет основным переключающим транзистором TR 2 , позволяя при этом изменять напряжение постоянного тока двигателя от нуля до Vcc. например от 9 до 12 вольт.
Дополнительные диоды маховика подключаются к переключающему транзистору TR 2 и клеммам двигателя для защиты от любой обратной ЭДС, генерируемой двигателем при его вращении. Регулируемый потенциометр может быть заменен сигналом непрерывной логической «1» или логического «0», подаваемым непосредственно на вход схемы для переключения двигателя «полностью ВКЛЮЧЕНО» (насыщение) или «полностью ВЫКЛЮЧЕНО» (отключение) соответственно. от порта микроконтроллера или ПОС.
Помимо этого базового управления скоростью, та же схема может также использоваться для управления скоростью вращения двигателей.Путем многократного переключения тока двигателя в положение «ВКЛ» и «ВЫКЛ» с достаточно высокой частотой, скорость двигателя можно изменять между неподвижным (0 об / мин) и полной скоростью (100%), изменяя отношение метки к промежутку его поставка. Это достигается изменением соотношения времени «ВКЛ» (t , ВКЛ ) и времени «ВЫКЛ» (t , ВЫКЛ, ), и это может быть достигнуто с помощью процесса, известного как широтно-импульсная модуляция.
Регулировка скорости по ширине импульса
Ранее мы говорили, что скорость вращения двигателя постоянного тока прямо пропорциональна среднему (среднему) значению напряжения на его клеммах, и чем выше это значение, вплоть до максимально допустимого напряжения двигателя, тем быстрее двигатель будет вращаться.Другими словами, больше напряжения — больше скорость. Изменяя соотношение между временем включения (t ON ) и продолжительностью времени выключения (t OFF ), называемое «Коэффициент заполнения», «Соотношение метки / пространства» или «Рабочий цикл», среднее значение напряжения двигателя и, следовательно, его скорость вращения можно изменять. Для простых униполярных приводов коэффициент заполнения β задается как:
, а среднее выходное напряжение постоянного тока, подаваемое на двигатель, определяется как: Vmean = β x Vsupply. Затем, изменяя ширину импульса a, можно управлять напряжением двигателя и, следовательно, мощностью, подаваемой на двигатель, и этот тип управления называется широтно-импульсной модуляцией или PWM .
Другим способом управления скоростью вращения двигателя является изменение частоты (и, следовательно, периода времени управляющего напряжения), в то время как продолжительность включения «ВКЛ» и «ВЫКЛ» остается постоянной. Этот тип управления называется с частотно-импульсной модуляцией или PFM .
При частотно-импульсной модуляции напряжение двигателя регулируется путем подачи импульсов переменной частоты, например, с низкой частотой или с очень небольшим количеством импульсов, среднее напряжение, подаваемое на двигатель, низкое, и поэтому скорость двигателя низкая.При более высокой частоте или при большом количестве импульсов среднее напряжение на клеммах двигателя увеличивается, а также увеличивается скорость двигателя.
Затем транзисторы могут использоваться для управления мощностью, подаваемой на двигатель постоянного тока, с режимом работы либо «Линейный» (изменение напряжения двигателя), «Широтно-импульсная модуляция» (изменение ширины импульса), либо «Импульсный». Частотная модуляция »(изменение частоты импульса).
Изменение направления двигателя постоянного тока
Хотя управление скоростью двигателя постоянного тока с помощью одного транзистора имеет много преимуществ, оно также имеет один главный недостаток: направление вращения всегда одно и то же, это «однонаправленная» схема.Во многих приложениях нам нужно управлять двигателем в обоих направлениях — вперед и назад.
Чтобы управлять направлением двигателя постоянного тока, полярность мощности постоянного тока, подаваемой на соединения двигателя, должна быть изменена на обратную, позволяя его валу вращаться в противоположном направлении. Один очень простой и дешевый способ управлять направлением вращения двигателя постоянного тока — использовать различные переключатели, расположенные следующим образом:
Управление направлением двигателя постоянного тока
В первой цепи используется одинарный двухполюсный двухпозиционный переключатель (DPDT) для управления полярностью соединений двигателей.При переключении контактов питание на клеммы двигателя меняется на противоположное, и двигатель меняет направление. Вторая схема немного сложнее и использует четыре однополюсных однонаправленных переключателя (SPST), расположенных по схеме «H».
Механические переключатели расположены в парах переключения и должны работать в определенной комбинации, чтобы приводить в действие или останавливать двигатель постоянного тока. Например, комбинация переключателей A + D управляет вращением вперед, а переключатели B + C управляют вращением назад, как показано.Комбинации переключателей A + B или C + D закорачивают клеммы двигателя, вызывая его быстрое торможение. Однако использование переключателей таким образом сопряжено с опасностями, поскольку рабочие переключатели A + C или B + D вместе вызвали бы короткое замыкание источника питания.
Хотя две приведенные выше схемы будут очень хорошо работать для большинства небольших двигателей постоянного тока, действительно ли мы хотим использовать различные комбинации механических переключателей только для изменения направления двигателя, НЕТ !. Мы могли бы изменить ручные переключатели для набора электромеханических реле и иметь одну кнопку или переключатель прямого / обратного хода или даже использовать твердотельный четырехканальный двусторонний переключатель CMOS 4066B.
Но еще один очень хороший способ достижения двунаправленного управления двигателем (а также его скоростью) — это подключить двигатель к схеме типа Н-мост на транзисторе , как показано ниже.
Базовая двунаправленная H-мостовая схема
Н-мостовая схема , приведенная выше , названа так потому, что базовая конфигурация четырех переключателей, электромеханических реле или транзисторов, напоминает конфигурацию буквы «H» с двигателем, расположенным на центральной планке.H-мост на транзисторах или полевых МОП-транзисторах, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов двунаправленных схем управления двигателем постоянного тока. Он использует «комплементарные пары транзисторов» как NPN, так и PNP в каждой ветви, при этом транзисторы переключаются попарно для управления двигателем.
Управляющий вход A управляет двигателем в одном направлении, т. Е. Вращением вперед, в то время как вход B управляет двигателем в другом направлении, т. Е. Вращением в обратном направлении. Затем переключение транзисторов в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ» в их «диагональных парах» приводит к направленному управлению двигателем.
Например, когда транзистор TR1 находится в состоянии «ВКЛ», а транзистор TR2 — в состоянии «ВЫКЛ», точка A подключена к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 находится в состоянии «ВЫКЛ», а транзистор TR4 находится в состоянии «ВКЛ», точка B. до 0 вольт (GND). Затем двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительной клемме A двигателя и отрицательной клемме B двигателя.
Если состояния переключения меняются местами, так что TR1 находится в положении «ВЫКЛ», TR2 в положении «ВКЛ», TR3 в положении «ВКЛ» и TR4 в положении «ВЫКЛ», ток двигателя теперь будет течь в противоположном направлении, заставляя двигатель вращаться в противоположное направление.
Затем, применяя противоположные логические уровни «1» или «0» ко входам A и B, можно управлять направлением вращения двигателей следующим образом.
Таблица истинности H-моста
| Вход A | Вход B | Функция двигателя |
| TR1 и TR4 | TR2 и TR3 | |
| 0 | 0 | Двигатель остановлен (ВЫКЛ) |
| 1 | 0 | Двигатель вращается вперед |
| 0 | 1 | Мотор вращается в обратном направлении |
| 1 | 1 | НЕ РАЗРЕШЕНО |
Важно, чтобы никакая другая комбинация входов не была разрешена, так как это может вызвать короткое замыкание источника питания, т.е. оба транзистора, TR1 и TR2, будут включены одновременно (предохранитель = взрыв!).
Как и в случае однонаправленного управления двигателем постоянного тока, как показано выше, скорость вращения двигателя также можно контролировать с помощью широтно-импульсной модуляции или ШИМ. Затем, комбинируя переключение H-моста с ШИМ-управлением, можно точно контролировать как направление, так и скорость двигателя.
Коммерческие готовые микросхемы декодеров, такие как микросхема с четырьмя полумостами SN754410 или L298N, имеющая 2 Н-моста, доступны со всеми необходимыми встроенными логическими схемами управления и безопасности и специально разработаны для управления двигателем с двухсторонним мостом. схемы.
Шаговый двигатель постоянного тока
Как и двигатель постоянного тока, описанный выше, Шаговые двигатели также являются электромеханическими приводами, которые преобразуют импульсный цифровой входной сигнал в дискретное (инкрементное) механическое движение, широко используются в промышленных системах управления. Шаговый двигатель — это тип синхронного бесщеточного двигателя, в котором он не имеет якоря с коллектором и угольными щетками, но имеет ротор, состоящий из многих, некоторые типы имеют сотни постоянных магнитных зубцов и статор с отдельными обмотками.
Шаговый двигатель
Как следует из названия, шаговый двигатель не вращается непрерывно, как обычный двигатель постоянного тока, а движется дискретными «шагами» или «приращениями», причем угол каждого вращательного движения или шага зависит от количества полюсов статора и зубья ротора шагового двигателя.
Поскольку шаговые двигатели работают с дискретным шагом, их можно легко вращать на конечную долю оборота за один раз, например, 1,8, 3,6, 7,5 градуса и т. Д.Так, например, предположим, что шаговый двигатель совершает один полный оборот (360 o ровно за 100 шагов.
Тогда угол шага двигателя равен 360 градусов / 100 шагов = 3,6 градуса на шаг. Это значение обычно известно как шаговые двигатели , Угол шага .
Существует три основных типа шаговых двигателей: с переменным сопротивлением , с постоянным магнитом и Hybrid (своего рода комбинация обоих). Шаговый двигатель особенно хорошо подходит для приложений, требующих точного позиционирования и повторяемости с быстрой реакцией на запуск, остановку, реверсирование и контроль скорости, а еще одной ключевой особенностью шагового двигателя является его способность удерживать нагрузку стабильно, когда это необходимо. позиция достигнута.
Обычно шаговые двигатели имеют внутренний ротор с большим количеством «зубцов» постоянного магнита с рядом «зубцов» электромагнита, установленных на статоре. Электромагниты статоров поляризованы и деполяризованы последовательно, заставляя ротор вращаться на один «шаг» за раз.
Современные многополюсные шаговые двигатели с несколькими зубьями способны обеспечивать точность менее 0,9 градуса на шаг (400 импульсов на оборот) и в основном используются для высокоточных систем позиционирования, таких как те, которые используются для магнитных головок в дисководах гибких / жестких дисков. , принтеры / плоттеры или роботизированные приложения.Наиболее часто используемый шаговый двигатель — это шаговый двигатель с 200 шагами на оборот. Он имеет ротор с 50 зубьями, 4-фазный статор и угол шага 1,8 градуса (360 градусов / (50 × 4)).
Конструкция и управление шаговым двигателем
В нашем простом примере шагового двигателя с переменным сопротивлением, приведенном выше, двигатель состоит из центрального ротора, окруженного четырьмя катушками электромагнитного поля, обозначенными A, B, C и D. Все катушки с одной и той же буквой соединены вместе, так что подача питания, скажем, катушки, помеченные буквой A, заставят магнитный ротор выровняться с этим набором катушек.
Путем подачи питания на каждый набор катушек по очереди ротор можно заставить вращаться или «шагать» из одного положения в другое на угол, определяемый его конструкцией угла шага, и путем последовательного включения катушек ротор будет производить вращательное движение.
Драйвер шагового двигателя управляет как углом шага, так и скоростью двигателя, запитывая катушки возбуждения в заданной последовательности, например, «ADCB, ADCB, ADCB, A…» и т. Д., Ротор будет вращаться в одном направлении (вперед) и при изменении последовательности импульсов на «ABCD, ABCD, ABCD, A…» и т. д. ротор будет вращаться в противоположном направлении (в обратном направлении).
Итак, в нашем простом примере, приведенном выше, шаговый двигатель имеет четыре катушки, что делает его четырехфазным двигателем с числом полюсов на статоре, равным восьми (2 x 4), которые разнесены с интервалом 45 градусов. На роторе шесть зубьев, разнесенных на 60 градусов.
Тогда есть 24 возможных положения (6 зубцов x 4 витка) или «ступенек» для того, чтобы ротор совершил один полный оборот. Следовательно, указанный выше угол ступени задается как: 360 o /24 = 15 o .
Очевидно, что чем больше зубцов ротора и / или обмоток статора, тем лучше управляемость и угол шага будет меньше. Также при соединении электрических катушек двигателя в различных конфигурациях возможны углы полного, половинного и микрошага. Однако для достижения микрошагового режима шаговый двигатель должен приводиться в действие (квази) синусоидальным током, реализация которого требует больших затрат.
Также можно управлять скоростью вращения шагового двигателя, изменяя временную задержку между цифровыми импульсами, подаваемыми на катушки (частоту), чем больше задержка, тем меньше скорость на один полный оборот.Подавая на двигатель фиксированное количество импульсов, вал двигателя будет вращаться на заданный угол.
Преимущество использования импульсов с задержкой по времени состоит в том, что нет необходимости в какой-либо форме дополнительной обратной связи, поскольку при подсчете количества импульсов, подаваемых на двигатель, будет точно известно конечное положение ротора. Этот отклик на заданное количество входных цифровых импульсов позволяет шаговому двигателю работать в «системе разомкнутого контура», что упрощает и удешевляет управление.
Например, предположим, что наш шаговый двигатель выше имеет угол шага 3,6 градуса на шаг. Чтобы повернуть двигатель на угол, скажем, 216 градусов, а затем снова остановиться в требуемом положении, потребуется всего: 216 градусов / (3,6 градуса / шаг) = 80 импульсов, приложенных к катушкам статора.
Существует множество ИС контроллеров шаговых двигателей, которые могут управлять скоростью шага, скоростью вращения и направлением двигателей. Одной из таких микросхем контроллера является SAA1027, которая имеет все необходимые встроенные счетчики и преобразователи кода и может автоматически управлять 4 полностью управляемыми мостовыми выходами на двигатель в правильной последовательности.
Направление вращения также можно выбрать вместе с пошаговым режимом или непрерывным (бесступенчатым) вращением в выбранном направлении, но это накладывает некоторую нагрузку на контроллер. При использовании 8-битного цифрового контроллера также возможно 256 микрошагов на шаг
SAA1027 Микросхема управления шаговым двигателем
В этом руководстве о вращательных приводах мы рассмотрели щеточный и бесщеточный двигатель постоянного тока , серводвигатель постоянного тока и шаговый двигатель в качестве электромеханического привода, который можно использовать в качестве выходного устройства для позиционного управления или регулирования скорости.
