Устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока

Принцип действия двигателя постоянного тока – варианты конструкций

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

Конструкция двигателя

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

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

Основные конструктивные элементы ДПТ:

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

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

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

Устройство двигателя постоянного тока

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

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

Преимущества эксплуатации и недостатки конструкции

Основные достоинства двигателей с постоянными токовыми величинами представлены:

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

Принцип устройства электродвигателя постоянного тока

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

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

Принцип действия двигателя постоянного тока

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

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

Принцип действия электродвигателя

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

Конструкция с независимым или параллельным возбуждением

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

Скоростные параметры двигателя регулируются в таком случае посредством:

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

Принципиальные схемы включения двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

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

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

Конструкция с последовательным возбуждением

Для потока возбуждения данного типа применяется якорный ток машины, а обмоточное возбуждение и якорная часть двигателя имеют последовательное подключение относительно питающего источника.

Благодаря развитию значительного электромагнитного момента, который пропорционален квадратным показателям якорного тока, двигателям с параллельным типом возбуждения обеспечиваются оптимальные пусковые характеристики.

Двигатель последовательного возбуждения

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

Обратите внимание

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

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

Конструкция со смешанным возбуждением

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

Обмоточные элементы подключаются двояко:

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

Варианты двигателей

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

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

Область применения

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

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

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

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

Видео на тему

Источник: https://proprovoda.ru/elektrooborudovanie/dvigateli/princip-dejstviya-dvigatelya-postoyannogo-toka.html

Электродвигатель постоянного тока

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

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

Содержание:

Электродвигатель постоянного и переменного тока

История изобретения

Для того чтобы понять принцип работы электрических двигателей постоянного тока (ДПТ) мы обратимся к истории его создания. Итак, первые опытные доказательства того, что электрическую энергию можно превращать в механическую, продемонстрировал Майкл Фарадей.

В 1821 году он провел опыт с проводником, опущенным в сосуд, наполненный ртутью, на дне которого располагался постоянный магнит. После подачи электричества на проводник, тот начинал вращаться вокруг магнита, демонстрируя свою реакцию на имеющееся в сосуде магнитное поле.

Эксперимент Фарадея не нашел практического применения, но доказал возможность создания электрических машин, и дал старт развитию электромеханики.

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

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

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

Описанный принцип использовался в двигателе, который Якоби установил на лодке с 12 пассажирами в 1839 году. Судно двигалось рывками со скоростью в 3 км/ч против течения (по другим данным — 4.

5 км/ч), но успешно пересекло реку и высадило пассажиров на берег.

В качестве источника питания использовалась батарея с 320 гальваническими элементами, а движение осуществлялось с помощью лопастных колес.

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

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

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

Устройство и принцип работы

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

Основной принцип

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

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

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

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

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

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

Читайте также:  Термоэлектрический генератор

Проблема слабых пусковых токов рассматривается ниже в отдельном разделе.

Конструкция

Итак, постоянный магнит закрепляется на корпусе двигателя, образуя вместе с ним статор, внутри которого располагается ротор.

После подачи питания на обмотке якоря возникает электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с магнитным полем статора, это приводит к вращению ротора, жестко посаженного на вал.

Для передачи электрического тока от источника к якорю двигатель оснащается коллекторно-щеточным узлом, состоящим из:

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

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

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

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

Детали электродвигателя постоянного тока

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

В высокомощных двигателях использование постоянных магнитов не представляется возможным из-за их большого размера.

Альтернативой для них служит система из нескольких токопроводящих стержней, на каждой из которых имеется своя обмотка, подключаемая к питающим шинам. Одноименные полюса включаются в сеть последовательно.

Важно

На корпусе может присутствовать от 1 до 4 пар полюсов, а их количеству должно соответствовать число токосъемных щеток на коллекторе.

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

Пусковые токи

Постепенное оснащение ротора двигателя дополнительными элементами, обеспечивающими его бесперебойную работу и исключающими секторальное торможение, возникает проблема его запуска.

Но все это увеличивает вес ротора – с учетом сопротивления вала столкнуть его с места становится сложнее.

Первым решением этой проблемы, приходящим в голову, может быть увеличение силы тока, подаваемой на старте, но это может привести к неприятным последствиям:

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

Поэтому такое решение можно назвать скорее рискованной полумерой.

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

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

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

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

Схемы подключения

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

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

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

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

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

Регулировка скорости вращения

Способ регулирования оборотов ДПТ зависит от схемы его подключения:

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

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

Реверсирование

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

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

Сфера применения

Как вы уже поняли, использование электродвигателей постоянного тока целесообразно в условиях, когда постоянное беспрерывное подключение к сети неосуществимо.

Хорошим примером здесь может служить автомобильный стартер, толкающий двигатель внутреннего сгорания «с места», или детские игрушки с моторчиком. В данных случаях для запуска двигателя используются аккумуляторные батареи.

В промышленных целях ДПТ применяются на прокатных станах.

Основная же сфера применения ДПТ – электрический транспорт.

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

Самый простой щёточно-коллекторный узел

Достоинства и недостатки

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

Основные достоинства:

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

Главные недостатки:

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

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

Это может быть интересно:

Источник: http://TokIdet.ru/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/ustroystvo-motora-postoyannogo-toka.html

Двигатель постоянного тока

Двигатели постоянного тока предназначены для превращения энергии постоянного тока в механическую работу.

Электродвигатели постоянного тока, намного меньше распространены, нежели двигатели переменного тока. Это связано в первую очередь со сравнительной дороговизной, более сложным устройством, сложностями в обеспечении питания.

Но, несмотря на все эти недостатки, ДПТ имеют немало плюсов. Например, двигатели переменного тока, сложно регулировать, ДПТ же отлично регулируются массой способов.

Кроме того ДПТ имеют более жесткие механические характеристики и позволяют обеспечить большой пусковой момент.

Электродвигатели постоянного тока применяются в качестве тяговых двигателей, в электротранспорте, в качестве различных исполнительных устройств.

Устройство двигателей постоянного тока

Конструкция двигателя постоянного тока аналогична двигателю переменного тока, но все же имеются существенные различия. На станине 7, которая изготавливается из стали, установлена обмотка возбуждения в виде катушек 6. Между основными полюсами, могут устанавливаться дополнительные полюса 5, для улучшения свойств ДПТ.

Внутри устанавливается якорь 4, который состоит из сердечника и коллектора 2, и устанавливается с помощью подшипников 1 в корпус двигателя. Коллектор является существенным отличием от двигателей переменного тока. Он соединяется с щетками 3, что позволяет подавать или в генераторах, наоборот снимать напряжение с якорной цепи.

Принцип действия

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии магнитных полей обмотки возбуждения и якоря. Можно представить, что вместо якоря у нас рамка, через которую протекает ток, а вместо обмотки возбуждения постоянный магнит с полюсами N и S.

При протекании постоянного тока через рамку, на нее начинает действовать магнитное поле постоянного магнита, то есть рамка начинает вращаться, причем, так как направление тока не меняется, то и направление вращения рамки остается прежним.

При подаче напряжения на зажимы двигателя начинает протекать ток в обмотке якоря, на него, как мы уже знаем, начинает действовать магнитное поле машины, при этом якорь начинает вращаться, а так как якорь вращается в магнитном поле, начинает образовываться ЭДС. Эта ЭДС направлена против тока, в связи с этим её называют противоЭДС. Её можно найти по формуле

Совет

Где Ф – магнитный поток возбуждения, n – частота вращения, а Cе это конструктивный момент машины, который остается для нее постоянным.

Читайте также:  Ремонт газовой плиты своими руками

Напряжение на зажимах больше чем противоЭДС на величину падения напряжение в якорной цепи.

А если домножить это выражение на ток, то получим уравнение баланса мощностей.

Левая часть уравнения UIя представляет собой мощность подаваемая электродвигателю, в правой части первое слагаемое EIя представляет собой электромагнитную мощность, а второе IяRя мощность потерь в цепи якоря.

Рекомендуем прочесть статью – пуск двигателя постоянного тока.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.00 (2 Голоса)

Источник: https://electroandi.ru/elektricheskie-mashiny/dpt/elektrodvigatel-postoyannogo-toka.html

Как работает и что собой представляет двигатель постоянного тока?

Подавляющее большинство электроприводов нашего времени использует энергию переменного тока в асинхронном режиме.

Тем не менее, двигатель постоянного тока, устройство и принцип действия которого будут рассматривать в этой статье, востребован ничуть не меньше.

Что он собой представляет, какие существуют теоретические и технические особенности его эксплуатации, постараемся разобраться далее.

ОГЛАВЛЕНИЕ

  • Что такое постоянный ток и чем он отличается от переменного?
  • Принцип действия электродвигателя
  • Характеристики эл. двигателя
  • Режимы работы эл. двигателей

Что такое постоянный ток и чем он отличается от переменного?

Начать рассмотрение вопроса работы эл. двигателей необходимо с того, на чем она базируется, то есть с определения понятия «электрический ток» и его основных видов.

Еще со школы нам должно быть известно, что в физике электрическим током называют направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов).

Его разделение на постоянный и переменный происходит в зависимости от величины и направления тока в некотором промежутке времени. Это хорошо видно на следующем графике:

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

На самом деле, практически любой бытовой прибор, электроинструмент использует постоянный ток, который преобразовывается из переменного (сетевого).

Может возникнуть закономерный вопрос, а для чего тогда использовать синусоидальный ток? Дело в том, что такая форма задания тока позволяет легко преобразовывать напряжение, идущее от генератора электростанции с 200-300 тысяч Вольт до привычных 220, с учетом коэффициента эффективности.

Принцип действия электродвигателя

Работа любого эл. двигателя пост. тока базируется на принципе взаимного действия магнитных полей статора и ротора.

Здесь также нужно вспомнить базовую физику и историю с рамкой, вращающейся в однородном магнитном поле. Задание предполагает подачу на нее тока, индуцирующего собственное круговое магнитное поле.

При взаимодействии с предыдущим формирует направленную перпендикулярно силу Ампера. Она выталкивает рамку из однородного поля.

Обратите внимание

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

Как видим, два полюса статора создают однородное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из двух частей, которые наматываются на его полюсах и соединены между собой последовательно. Концы обмоток замыкаются на разделенных, расположенных на валу электродвигателя коллекторных пластинах.

Они имеют физический контакт (трение) с неподвижными щетками из графита, на которые подается пост. ток.

Если при подключении соблюсти принцип расположение полюсов тока, как показано на рисунке, то полюс якоря, расположенный на схеме слева, станет условно северным, как и находящийся в непосредственной близости полюс статора электродвигателя.

Естественная реакция на действие магнитных сил заключается в том, что равнозначные полюса отталкиваются. В нашем случае такое возможно только за счет вращения.

По инерции, северный полюс якоря, провернувшись на 180º станет напротив южного полюса статора. По логике вещей они должны начать притягиваться, что приведет к торможению.

Чтобы этого не допустить, в момент перехода нейтральной линии коллектор переключает обмотки якоря местами, чтобы вновь организовать отторжение полюсов.

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

Характеристики эл. двигателя

Источник: http://ElectricVDele.ru/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/dvigatel-postoyannogo-toka-ustrojstvo-i-princip-dejstviya.html

Электрические двигатели постоянного тока

Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока.

В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день.

Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.

Устройство и принцип работы

ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла.

Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток.

Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.
Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться.

Важно

Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку.

В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.

Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря.

Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.

Двигатели постоянного тока делятся на:

— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.

Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.

Краткая история создания

Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом.

При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.

Совет

В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ.

Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.

Особенности ДПТ

Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор.

Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления.

При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.

Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.

Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.

КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.

Достоинства и недостатки ДПТ

К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;

Читайте также:  Как выбрать дрель

— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.

Сфера применения

Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д.

кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах.

Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.

Источник: http://zewerok.ru/elektricheskie-dvigateli-postoyannogo-toka/

Приводы и двигатели постоянного тока




На статоре находится индукторная обмотка (обмотка возбуждения), на которую подаётся постоянный ток – в результате создаётся постоянное магнитное поле (поле возбуждения). В двигателях с постоянными магнитами поле возбуждения создаётся постоянными магнитами.

В обмотку ротора (якорная обмотка) также подаётся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера – создаётся вращающий момент, который поворачивает ротор на 90 электрических градусов, после чего щёточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора – вращение продолжается.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока делятся на четыре группы:

  • С независимым возбуждением – обмотка возбуждения питается от независимого источника
  • С параллельным возбуждением – обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря
  • С последовательным возбуждением – обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря
  • Со смешанным возбуждением – у двигателя есть две обмотки: параллельная и последовательная.

Пуск двигателя постоянного тока

При прямом пуске ток якоря может на порядок превышать номинальный, поэтому при пуске в цепь якоря вводится пусковое сопротивление пусковой реостат. Для плавного пуска реостат делают ступенчатым – в первый момент включаются все ступени (максимальное сопротивление), по мере разгона двигателя растёт противо-ЭДС, ток якоря уменьшается – ступени выключаются одна за другой.

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока

  • Скорость ниже номинальной регулируется напряжением на якоре (мощность при этом пропорциональна скорости, момент неизменен)
  • Скорость выше номинальной регулируется током обмотки возбуждения – чем слабее поле возбуждения, тем выше скорость (момент падает при постоянной мощности)

Регулирование питания якоря и обмотки возбуждения осуществляется с помощью тиристорных преобразователей (приводов постоянного тока).

Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока

Преимущества:

  • Практически линейные характеристики двигателя:
    • механическая характеристика (зависимость частоты от момента)
    • регулировочная характеристика (зависимость частоты от напряжения якоря)
  • Просто регулировать частоту вращения в широких пределах
  • Большой пусковой момент
  • Компактный размер.

Недостатки:

  • Дополнительные расходы на профилактическое обслуживание коллекторно-щёточных узлов
  • Ограниченный срок службы из-за износа коллектора
  • Дороже асинхронных двигателей.

  • Высота оси
  • Номинальное напряжение якоря
  • Номинальное напряжение возбуждения
  • Номинальная частота вращения
  • Номинальная мощность
  • Номинальный момент
  • Номинальный ток якоря
  • Мощность возбуждения
  • Максимальная частота вращения при понижении поля (выше этой скорости падает мощность)
  • Предельно допустимая рабочая скорость (выше этой скорости начинается механическое разрушение)
  • КПД
  • Момент инерции
  • Степень защиты IP
  • Степень виброустойчивости (прессы и т.п.)
  • Класс изоляции (для работы от преобразователя не ниже F)
  • Температура окружающей среды (для работы при отрицательных температурах в условиях русской зимы требуется специальное исполнение: смазка, вал из специальной стали и т.п.)
  • Высота установки над уровнем моря (выше 1000 метров падают характеристики)
  • Конструктивное исполнение по способу монтажа электродвигателей
    • Маслоуплотнённый фланец для присоединения редуктора
  • Положение клеммной коробки (справа, сверху и т.д.)
  • Тип принудительного охлаждения:
    • Конвекционное: воздушный фильтр, контроль расхода воздуха, встроенный (направление обдува) или внешний (подключение труб) вентилятор
    • Через теплообменник
  • Классификация методов охлаждения электрических двигателей
  • Окраска
  • Подшипники
    • Качения (радиально-упорные)
    • Усиленные подшипники для повышенных радиальных нагрузок на валу
    • С пополнением смазки
    • Для подключения редуктора
  • Вал двигателя
  • Датчик скорости
  • Тормоз
  • Контроль износа щёток
    • Окошко для визуального контроля
    • Микропереключатель ограничения остаточной длины щёток
  • Контроль нагрева двигателя
    • Термисторная защита – контроль граничных значений (предупреждение, отключение)
    • Непрерывный контроль температуры при помощи датчика KTY
  • Подогрев остановленного двигателя (против образования конденсата)
  • Уровень шума.

Выбор преобразователя постоянного тока

  • Режим работы:
    • Одноквадрантный (1Q) – нереверсивный
    • Четырёхквадрантный (4Q) – реверсивный.
  • Номинальное напряжение питания сети
  • Номинальный входной ток
  • Напряжение питания (отдельное)
    • Вентилятора
    • Блока управления (электроники)
    • Возбуждения
  • Температура окружающей среды
  • Высота установки над уровнем моря
  • Класс влагостойкости (покрытие плат компаундом)
  • Степень защиты IP
  • ЭМС-фильтр (фильтр радиопомех).
  • Номинальное постоянное напряжение (якоря двигателя)
  • Номинальный постоянный ток якоря
  • Перегрузочная способность по току
  • Номинальная мощность
  • Мощность потерь (рассеиваемая мощность) при номинальном токе
  • Номинальное постоянное напряжение обмотки возбуждения (напряжение поля)
  • Номинальный постоянный ток обмотки возбуждения (ток поля)
  • Панель оператора (съёмная, хранение параметров, поддержка русского языка)
  • Коммуникационный интерфейс для обмена данными с PLC, HMI (PROFIBUS и др.)
  • Точность регулирования
  • Встроенные ПИД-регуляторы
  • Встроенные функции логического контроллера
  • Сигнальные (дискретные и аналоговые) входы-выходы.

Мотор-редукторы

Сервопривод




© Туманов А.В., 2016-2019

Источник: http://www.maxplant.ru/article/dc_drive.php

Двигатели постоянного тока – Устройство, принцип действия электродвигателя

Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока.

Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту.

Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.


Обратите внимание

Рисунок 1 – Машина постоянного тока: I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник

Рисунок 2 – Полюса машины постоянного тока: а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 — сердечник В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение. Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

Рисунок 3 – Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек — одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту. Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 – 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде 'ласточкина хвоста', которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность 'ласточкина хвоста', при втором — на 'ласточкин хвост' и конец пластины. Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым — клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы. В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются 'петушками'. В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца. Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 – 0,04 МПа. Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик. В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины. Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые. Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рисунок 4 – Щетки: а — для машин малой и средней мощности; б — для машин большой мощности; 1 — щеточный канатик; 2 — наконечник Различают обычные и фланцевые подшипниковые щиты. Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения.

В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.

Источник: http://diplomka.net/publ/dvigateli_postojannogo_toka_ustrojstvo_princip_dejstvija/12-1-0-132

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector