Меню

Ток якоря это ток чего

Машины постоянного тока

К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
Лекцию «Основы теории машин постоянного тока» с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру.

Лекция 5. Основы теории машин постоянного тока
§1 Коллекторный тип машины постоянного тока
П1 Принцип работы машины постоянного тока

Принцип работы генератора постоянного тока рассмотрим на примере простейшего одновиткового генератора с одной парой полюсов и одной парой щеток изображен на рисунке 40 .

Рис.40 Модель генератора постоянного тока

Его коллектор, состоит из двух полуколец. Когда, в процессе вращения якоря, в одновитковой обмотке меняется направление индуцируемой ЭДС, тогда полукольца меняют щетки. Выпрямленное напряжение такого генератора представляет собой пульсирующее напряжение одной полярности составленное из половинок синусоиды. Обычно, коллектор представляет собой цилиндрическую конструкцию, набранную из множества медных пластин — ламелей, расположенных вдоль образующей цилиндра (рисунок 41).

Рис.41 Разрез коллектора. Ламель

Ламели изолированы друг относительно друга. Коллекторные пластины соединены с секциями обмотки якоря. Секцией называется часть обмотки якоря непосредственно соединенная с двумя коллекторными пластинами. (1) Как правило, щетка представляет собой, снабженный гибким токоотводом, графитовый или медно-графитовый параллелепипед, скользящий в процессе вращения якоря по ламелям коллектора. Щетки расположены так, что соприкасаясь со следующими по ходу вращения секциями обмотки, обеспечивают практически постоянное максимальное напряжение между щетками. В этом случае, выпрямленное напряжение состоит из верхушек синусоиды, и, при достаточном числе ламелей коллектора, напряжение между щетками можно считать постоянным.
По свойству обратимости электрических машин, рассмотренная конструкция будет работать в двигательном режиме, если подвести постоянное напряжение к щеткам.
Вспомнив изученное в разделе синхронные машины, можно сделать вывод, что генератор постоянного тока можно определить, как снабженный механическим выпрямителем обращенный синхронный генератор с индуктором на статоре (станине) и обмоткой на роторе (якоре). В обмотке индуктора ( полюсов) протекает постоянный ток. В обмотке якоря, так же, как в обмотке статора синхронного генератора, индуцируется переменный ток. Переменный ток якоря выпрямляется с помощью механического выпрямителя — коллектора.(2)
Аналогично, двигатель постоянного тока может рассматриваться, как обращенный синхронный двигатель с коллектором, преобразовывающим постоянный ток сети в переменный ток в обмотках. Переменный ток в витке простейшего двигателя постоянного тока необходим для того, чтобы направление вращающего момента, действующего на рамку с током в магнитном поле, оставалось неизменным при каждом полуобороте рамки. Таким образом, в двигателе постоянного тока коллектор выполняет функции инвертора, то есть преобразователя постоянного тока в переменный.(3)
П2 Конструкция якоря машины постоянного тока (4)
Обычно, якорь представляет собой конструкцию из двух соосных цилиндров, сидящих на одном валу. Один цилиндр — коллектор, набранный из медных ламелей, второй — сердечник якоря. Ламель коллектора (рисунок 41) представляет собой фигурную конструкцию трапециевидного сечения. Ламели, разделенные слоями миканита, специального изоляционного материала на основе слюды, набираются по окружности вала якоря. Специальные выступы (петушки) на коллекторе служат для присоединения к секциям обмотки якоря. Рядом с коллектором на валу якоря находится сердечник якоря. Так как в обмотке якоря течет переменный ток, то его, для уменьшения потерь на вихревые токи, набирают из штампованных листов электротехнической стали.(рисунок 42).

Рис. 42 Лист стали сердечника якоря

По окружности листов имеются пазы под якорную обмотку, а вокруг центрального отверстия находятся отверстия вентиляционных каналов. В крупных машинах сердечник собирается из пакетов, толщиной 30 -50 миллиметров, разделенных воздушными промежутками, играющих роль вентиляционных каналов. В пазы сердечника якоря, идущие параллельно оси, или с некоторым скосом, укладывается изолированный провод обмотки. Концы секций обмотки со стороны коллектора закрепляются пайкой на петушках. Фрагменты обмотки , выходящие за пределы пазов со стороны противоположной коллектору, называются лобовыми частями. Обычно, сразу за лобовыми частями, на вал якоря насаживается крылатка вентилятора.
П3 Конструкция неподвижной части машины постоянного тока(5)
Неподвижная часть машины постоянного тока, как правило, включает в себя станину 19, главные полюса 11, щеточный аппарат 3,4 и подшипниковые щиты 1,17 (рисунок 43).

Рис.43 Конструкция машины постоянного тока

Станина является конструктивной основой машины, а также выполняет функцию части магнитопровода. К станине крепятся остальные части машины. Она , обычно, выполняется из толстых листов катаной стали и имеет вид полого цилиндра с крепежными лапами. У крупных машин станина делается разъемной.
Главные полюса создают основное магнитное поле машины, то есть являются индуктором. Сердечники главных полюсов (полюсные башмаки) набирают из листов электротехнической стали. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет расширение — полюсный наконечник, для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор машины.
На сердечник главных полюсов укладывается обмотка индуктора.
Подшипниковые щиты удерживают подшипники, в которых вращается якорь, и предохраняют от попадания внутрь машины посторонних предметов. Со стороны коллектора, подшипниковый щит удерживает траверсу (рис 44) со щеточным аппаратом.

Рис. 44 Щеточная траверса и щеткодержатель

Траверса позволяет перемещать щеточный аппарат вдоль или против направления вращения. На траверсе укреплены стержни — щеточные пальцы, к которых закреплены щеткодержатели со щетками. Щетки прижимаются к коллектору пружинами щеткодержателей, и, по мере износа от трения по коллектору, могут перемещаться в обойме щеткодержателя.

Вопросы для самоконтроля.
1 Что такое секция обмотки якоря? (1).
2. Каково назначение коллектора генератора постоянного тока? (2)
3. Каково назначение коллектора двигателя постоянного тока?(3)
4. Расскажите устройство якоря машины постоянного тока (4)
5. Расскажите об устройстве неподвижных частей МПТ. (5)
§2 Обмотки и ЭДС якоря машины постоянного тока
П1 Кольцевые и барабанные якоря.
В зависимости от способа укладки обмотки различают якоря кольцевые и барабанные. В кольцевых якорях обмотка навивается как на кольцо, так что проводники проходят как снаружи, так и внутри кольцевого ферромагнитного каркаса якоря. В барабанных якорях обмотка навивается на сердечник якоря, как на барабан, так что витки проходят только по наружной поверхности сердечника якоря.(1) В настоящее время кольцевые якоря не применяются, ибо проводники, проходящие внутри ферромагнитного каркаса якоря, не работают, так как экранированы от магнитного поля индуктора. Однако, с методической точки зрения, кольцевой якорь очень удобен, так как принцип укладки его обмотки воспринимается значительно легче. Поэтому принято, первоначальные объяснения способов построения якорных обмоток, проводить на примере кольцевых якорей.
П2 Простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами. (2)
Представим себе кольцевой ферромагнитный сердечник с шестью пазами на внешней стороне, равномерно распределенными параллельно оси вдоль окружности. На кольцо наложены шесть витков провода, соединенных один за другим. Наружная (прямая) сторона каждого витка уложена в свой паз и называется активной стороной. Обратная сторона каждого витка не является активной стороной, так как лежит внутри кольца, вне магнитного поля полюсов. Сердечник с обмоткой надет на ось якоря. На оси якоря закреплен коллектор, состоящий из шести ламелей. Сторона витка лежащая в пазу присоединена к своей коллекторной пластине. На рисунке 45 представлен развернутый вид такой конструкции.

Рис. 45 Развернутый вид простой петлевой обмотки кольцевого якоря

Пунктиром отмечено расположение полюсов для фиксированного момента времени. В процессе вращения якоря щетки и полюса перемещаются относительно витков обмотки. Щетки сдвинуты на 90 градусов от плоскости проходящей через центры полюсов и ось машины. В этом случае, для фиксированного момента времени, 1, 2 и 3 секции расположены под северным , а 4, 5 и 6 секции под южным полюсом. Если считать, что проводники относительно полюсов движутся влево, то направление действия ЭДС и знаки щеток соответствуют рисунку. Обмотка якоря состоит из двух параллельных ветвей, показанных на рисунке 45 справа. Если внешняя цепь генератора замкнута, то ось магнитного поля тока якоря сдвинута относительно магнитной оси полюсов на 90 градусов по направлению вращения якоря, размагничивая тот край полюса, на который проводник набегает и намагничивая тот , с которого проводник сбегает.
П3 Звезда ЭДС простейшей петлевой обмотки кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами
Будем считать, что распределение магнитной индукции вдоль зазора машины постоянного тока от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Направление вектора магнитной индукции везде перпендикулярно зазору. Под центром северного полюса вектор магнитной индукции максимален и входит в якорь. Под центром южного полюса — выходит из якоря. В точках, сдвинутых на 90 электрических градусов от магнитной оси полюсов, магнитная индукция равна нулю. Электродвижущие силы, индуцируемые в каждой секции обмотки, изменяются по синусоидальному закону, фаза ЭДС каждой секции зависит от ее расположения относительно магнитной оси.
Будем считать, что секция 1 миновала максимум синусоиды магнитной индукции и уходит из под северного полюса. Секция 2 проходит максимум индукции под северным полюсом, а секция 5 проходит максимум индукции под южным полюсом. Тогда для момента , изображенного на рисунке 45 фаза ЭДС в первой секции равна 150 градусов, фаза ЭДС во второй секции — 90 градусов, в третьей — 30 градусов, в четвертой -330 градусов, в пятой — 270 градусов и в шестой — 210 градусов. Векторная диаграмма ЭДС секций якоря, носящая название звезды пазовых ЭДС, изображена на рисунке 46. (3)

Рис. 46 Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки

Если вспомнить, что ламели отделены одна от другой слоями изоляции, то становится понятно, что первая, вторая и третья секции включены последовательно и образуют одну ветвь. Вторая ветвь состоит из четвертой, пятой и шестой последовательно соединенных секций. Первая и вторая ветви соединены между собой параллельно и подключены, в рассматриваемый момент, к одной паре ламелей 1-4. Первая ламель соединена со щеткой минус, четвертая ламель – со щеткой плюс. Вектор ЭДС ветви может быть получен геометрическим суммированием векторов соответствующих ЭДС секций. По общему правилу, проекция результирующего вектора на ось ординат дает действующее значение ЭДС ветви. Анализируя звезду пазовых ЭДС можно видеть, одну из причин, почему щетки устанавливают по линии геометрической нейтрали: В ветвях ЭДС секций действуют согласно и результирующая ЭДС ветви максимальна. Наоборот, если щетки установлены под центрами полюсов, то проекция результирующего вектора ЭДС ветви на ось ординат равна нулю, а, значит, равно нулю действующее значение ЭДС ветви.
Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки с одной парой полюсов, но с другим числом пазов и секций может отличаться только масштабом и числом лучей. Второй причиной установки щеток на нейтрали является желательность иметь переключение секций, при скольжении ламелей возле щеток, когда ток в секции проходит через нуль.
П4 Звезды ЭДС петлевой обмотки многополюсной машины
Число пар полюсов машины постоянного тока равно числу геометрических нейтралей, и машине постоянного тока с простой петлевой обмоткой на кольцевом якоре, имеющей n пар полюсов, требуется n пар щеток. Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки кольцевого якоря, установленного в машину с другим числом пар полюсов, будет отличаться от исходной. Например, якорь с 24 пазами и 24 коллекторными пластинами в машине одной парой полюсов будет иметь двадцатичетырехлучевую звезду пазовых ЭДС . Этот же якорь в машине с двумя парами полюсов имеет двойную двенадцатилучевую звезду, а с тремя парами полюсов — тройную восьмилучевую звезду. При четырех парах полюсов векторная диаграмма ЭДС секций обмотки якоря состоит из четырех шестилучевых звезд. Таким образом, машина с n пар полюсов и простой петлевой обмоткой якоря имеет n пар параллельных ветвей.(4) Векторная диаграмма ЭДС секций ее обмотки состоит из n одинаковых звезд пазовых ЭДС. Число лучей для каждой звезды можно получить, разделив число пазов якоря на число пар полюсов.
П5 Волновая обмотка кольцевого якоря
Для многополюсной машины возможно такое построение обмотки, когда после первого витка переходят не к следующему по порядку пазу, а к пазу лежащему под следующей парой полюсов примерно на таком же месте, и только пройдя под всеми одноименными полюсами переходят к пазу соседнему с первым. Для того, чтобы все шаги от одного одноименного полюса к другому были одинаковой длины необходимо, чтобы выполнялось равенство
(5)
Здесь, z — число пазов ротора, n — число пар полюсов, k- целое число, число пазов по ротору между следующими друг за другом по схеме обмотки витками. Если то после обхода по окружности якоря провод обмотки прейдет к следующему от первого по ходу обмотки пазу. В противном случае провод обмотки прейдет к предыдущему пазу.
Каждая секция волновой обмотки состоит из n витков. (6)Так как положение витков одной и той же секции относительно одноименных полюсов не совсем одинаково ( — дробное число), то сложение ЭДС витков в секции следует производить геометрически. Векторная диаграмма ЭДС секций волновой обмотки всегда представляет собой одинарную звезду. Простая волновая обмотка машины постоянного тока имеет одну пару параллельных ветвей и может иметь одну пару щеток. Но если машина большой мощности, то для улучшения условий токосъема ставят n пар щеток, по числу пар полюсов. Для машин малой мощности ограничиваются одной парой щеток
П6 Особенности обмоток барабанных якорей
В настоящее время кольцевые якоря не применяются, так как в них неэкономично используются обмоточный провод.(7) Участвует в процессе преобразования энергии только одна, активная сторона каждого витка обмотки. В барабанных якорях обе половины каждого витка находятся в магнитном поле полюсов, одна под северным, а другая под южным полюсом. Таким образом, в каждом пазу барабанного якоря находится две активных стороны . На рисунке 47 представлена развернутая волновая обмотка барабанного якоря с двенадцатью пазами , двумя парами полюсов и двенадцатью коллекторными пластинами.

Рис.47 Простая волновая обмотка барабанного якоря

Сплошной линией показана одна (прямая) сторона витка, пунктирной линией — вторая (обратная). Также как в обмотке кольцевого якоря, каждая прямая половина витка соединена с одноименной коллекторной пластиной. В пятом пазу лежит прямая сторона пятого витка, соединенная с пятой коллекторной пластиной, и обратная сторона второго. Обратная сторона пятого витка лежит в восьмом пазу вместе с прямой стороной восьмого витка, присоединенной к восьмой коллекторной пластине. Обратная сторона восьмого витка лежит в одиннадцатом пазу вместе с прямой стороной одиннадцатого витка, присоединенной с к одиннадцатой коллекторной пластине. Таким образом, обе стороны каждого витка являются активными, поэтому лучи звезды ЭДС обмотки барабанного якоря будут длиннее соответствующих лучей звезды обмотки кольцевого якоря в два раза.

Читайте также:  Ощущение как будто бьет током в ногу

Рис. 48 Схема параллельных ветвей волновой обмотки барабанного якоря

На рисунке 48 представлена схема параллельных ветвей этой обмотки, а на рисунке 49 – звезда пазовых ЭДС.

Рис. 49 Звезда пазовых ЭДС волновой обмотки

П7 Электрическая нейтраль, полезный магнитный поток и ЭДС якоря
Будем считать, что распределение индукции в зазоре машины от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Геометрической нейтралью называют линию, повернутую на 90 электрических градусов от оси магнитного полюса.(8) На геометрической нейтрали в зазоре машины магнитная индукция полюсов равна нулю.
Если щетки стоят по линии геометрической нейтрали ( то есть, коммутируют секции обмотки якоря проходящие геометрическую нейтраль), то потокосцепление обмотки якоря с магнитным полем полюсов максимально. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали потокосцепление уменьшается и при расположении щеток на магнитной оси машины потокосцепление якоря от магнитного поля полюсов равно нулю. В теории электрических машин принято интерпретировать уменьшение потокосцепления обмотки якоря при сдвиге щеток с нейтрали, как уменьшение полезного магнитного потока полюсов. (9)Электродвижущую силу, индуцируемую в обмотке якоря, определяют по полезному магнитному потоку, используя следующую формулу

Здесь р- число пар полюсов, n — число оборотов якоря в секунду, N — число проводников в пазах обмотки, а — число пар параллельных ветвей, Ф — полезный магнитный поток полюсов. Обозначив, имеем:
(10)
Здесь — частота вращения якоря в радиан в секунду.
Вопросы для самоконтроля.
1. Чем отличаются кольцевые якоря от барабанных? (1)
2. Как устроена простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами? (2)
3. Что такое звезда пазовых ЭДС? (3)
4. Сколько параллельных ветвей имеет четырехполюсная машина с простой петлевой обмоткой? (4)
5. Какое условие должно выполняться для обеспечения равенства шагов волновой обмотки якоря? (5)
6. Сколько витков содержит секция волновой обмотки четырех полюсной машины? (6)
7. Почему кольцевые якоря в настоящее время не применяются? (7)
8. Что такое геометрическая нейтраль машины? (8)
9. Как изменяется полезный магнитный поток при сдвиге щеток с геометрической нейтрали? (9)
10. Запишите формулу ЭДС якорной обмотки в функции частоты вращения якоря и полезного магнитного потока .(10)
§3 Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока
П1 Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока
Нарисуем схему замещения генератора постоянного тока в виде идеального источника постоянного напряжения и резистора внутреннего сопротивления (рисунок 50 а).

Рис. 51 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

На рисунке стрелками показаны условно положительные направление тока напряжения и ЭДС, выбранные так, что условно положительное направление ЭДС совпадало с истинным направлением этой величины и противоположно напряжению генератора. В соответствии с законом Ома для участка цепи с ЭДС имеем:
Индексы при обозначениях величин задают их условно положительное направление.
Умножим левую и правую части равенства на ток

Или (1)
Мощность, стоящая в левой части равенства (1), называется электромагнитной мощностью, передаваемой через зазор в якорь генератора постоянного тока . Она больше электрической мощности , отдаваемой в сеть на величину электрических потерь от протекания тока по внутреннему сопротивлению генератора. В свою очередь, электромагнитная мощность генератора меньше подводимой к нему механической мощности на величину механических потерь в генераторе. Это иллюстрирует энергетическая диаграмма генератора постоянного тока, изображенная на рисунке 50 б. (1)

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Как работает двигатель постоянного тока ? masterok August 4th, 2013

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

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

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

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

Читайте также:  Ее взгляд как ток она в этом

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы:

Сборка двигателя постоянного тока ПО ДЕТАЛЯМ:

Источник

Машины постоянного тока устройство и принцип действия

Дата публикации: 26 ноября 2011 .
Категория: Статьи.

В статье рассмотрено устройство простейшей машины постоянного тока, описан ее принцип действия. Дано определение принципа обратимости электрических машин и электромагнитной мощности.

Устройство простейшей машины

На рисунке 1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рисунке 2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рисунке 1 простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рисунке 1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

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

Режим генератора

Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

Рисунок 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.

Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Eа = 2 × eпр = 2 × B × l × v. (1)

Э. д. с. Eа является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

f = p × n (2)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток Iа. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Кривые ЭДС и тока простейшей машины постоянного тока

Рисунок 4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

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

Изменив знак второго полупериода кривой на рисунке 4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рисунок 4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Eа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря rа:

Uа = EаIа × rа. (3)

Проводники обмотки якоря Iа с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а)

Fпр = B × l × Iа, (4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рисунок 3, б). Эти силы создают механический момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 2, а равен

Mэм = Fпр × Dа = B × l × Dа × Iа, (5)

где Dа – диаметр якоря. Как видно из рисунка 2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Mэм. Величины Fпр и Mэм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении Mэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и направление тока Iа у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Eа, значение которой определяется равенством (1).

Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Eа направлена против тока Iа и приложенного к зажимам якоря напряжения Uа. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Eа и падением напряжения в обмотке якоря:

Uа = Eа + Iа × rа. (6)

Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе Uа Eа.

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Читайте также:  Ток вторичной обмотки высоковольтного трансформатора

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Направление ЭДС, тока и моментов в генераторе и двигателе постоянного тока

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Mэм = MвMтрMс, (7а)

где Mв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Mс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Mэм = Mв + Mтр + Mс, (7б)

где Mв – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе Mэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях Mв и Mэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Pэм называется электромагнитной мощностью и равна

Pэм = Pэм × Ω, (8)
Ω = 2 × π × n, (9)

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение Mэм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

или на основании выражения (1)

Pэм = Eа × Iа. (10)

В обмотке якоря под действием э. д. с. Eа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Pа= Eа × Iа. (11)

Согласно равенствам (10) и (11), Pэм = Pа, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на Iа. Тогда для генератора будем иметь

Uа × Iа = Eа × IаIа 2 × rа (12)

и для двигателя

Uа × Iа = Eа × Iа + Iа 2 × rа. (13)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рисунок 1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник



Электрический двигатель постоянного тока

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

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

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

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Схематическое изображение простейшего ДПТ

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

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

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

Статор (индуктор)

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

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

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

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Схемы подключения обмоток статора

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

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

Ротор (якорь)

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

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

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

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

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

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

Схема электромотора с многообмоточным якорем

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

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

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

Принцип работы ДПТ

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

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

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

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

Типы ДПТ

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

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

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

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

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

По виду конструкции магнитной системы статора

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

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

Управление

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

Механическая характеристика

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

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

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

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

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

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

Области применения

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

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

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

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

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

Недостатки:

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

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

Видео в дополнение к написанному



Источник