Електродвигун постійного струму: пристрій, принцип роботи, типи, управління

  1. Пристрій і опис ДПТ
  2. Статор (індуктор)
  3. Ротор (якір)
  4. колектор
  5. Принцип роботи
  6. типи ДПТ
  7. За наявності щітково-колекторного вузла
  8. По виду конструкції магнітної системи статора
  9. управління
  10. механічна характеристика
  11. Області застосування
  12. Переваги і недоліки

Ера електродвигунів бере свій початок з 30-х років XIX століття, коли Фарадей на дослідах довів здатність обертання провідника, по якому проходить струм, навколо постійного магніту. На цьому принципі Томасом Девенпорт був сконструйований і випробуваний перший електродвигун постійного струму. Винахідник встановив свій пристрій на діючу модель поїзда, довівши тим самим працездатність електромотора.

Практичне застосування ДПТ знайшов Б. С. Якобі, встановивши його на човні для обертання лопатей. Джерелом струму вченому послужили 320 гальванічних елементів. Незважаючи на громіздкість устаткування, човен міг плисти проти течії, транспортуючи 12 пасажирів на борту.

Лише в кінці XIX століття синхронними електродвигунами почали оснащувати промислові машини. Цьому сприяло усвідомлення принципу перетворення електродвигуном постійного струму механічної енергії в електрику. Тобто, використовуючи електродвигун в режимі генератора , Вдалося отримувати електроенергію, виробництво якої виявилося істотно дешевше від витрат на випуск гальванічних елементів. З тих пір електродвигуни удосконалювалися і стали завойовувати міцні позиції у всіх сферах нашої життєдіяльності.

Пристрій і опис ДПТ

Конструктивно електродвигун постійного струму влаштований за принципом взаємодії магнітних полів.

Найпростіший ДПТ складається з наступних основних вузлів:

  1. Двох обмоток з сердечниками, з'єднаних послідовно. Дана конструкція розташована на валу і утворює вузол, званий ротором або якорем.
  2. Двох постійних магнітів, повернених різними полюсами до обмоток. Вони виконують завдання нерухомого статора.
  3. Колектора - двох напівкруглих, ізольованих пластин, розташованих на валу ДПТ.
  4. Двох нерухомих контактних елементів (щіток), призначених для передачі електроструму через колектор до обмоток збудження.
Ера електродвигунів бере свій початок з 30-х років XIX століття, коли Фарадей на дослідах довів здатність обертання провідника, по якому проходить струм, навколо постійного магніту

Малюнок 1. Схематичне зображення найпростішого електродвигуна постійного струму.

Розглянутий вище приклад - це швидше робоча модель колекторного електродвигуна. На практиці такі пристрої не застосовуються. Справа в тому, що у такого моторчика занадто маленька потужність. Він працює ривками, особливо при підключенні механічного навантаження.

Статор (індуктор)

У моделях потужних сучасних двигунах постійного струму використовуються статори, вони ж індуктори, у вигляді котушок, намотаних на сердечники. При замиканні електричного кола відбувається утворення ліній магнітного поля, під дією виникає електромагнітної індукції.

Для живлення обмоток індуктора ДПТ можуть використовуватися різні схеми підключення:

  • з незалежним збудженням обмоток;
  • з'єднання паралельно обмоток якоря;
  • варіанти з послідовним збудженням котушок ротора і статора;
  • змішане під'єднання.

Схеми підключення наочно видно на малюнку 2.

Схеми підключення наочно видно на малюнку 2

Малюнок 2. Схеми підключення обмоток статора ДПТ

У кожного способу є свої переваги і недоліки. Часто спосіб підключення диктується умовами, в яких має бути експлуатація електродвигуна постійного струму. Зокрема, якщо потрібно зменшити іскріння колектора, то застосовують паралельне з'єднання. Для збільшення крутного моменту краще використовувати схеми з послідовним підключенням обмоток. Наявність високих пускових струмів створює підвищену електричну потужність в момент запуску двигуна . Даний спосіб підходить для двигуна постійного струму, інтенсивно працює в короткочасному режимі, наприклад для стартера. У такому режимі роботи деталі електродвигуна не встигають перегрітися, тому знос їх незначний.

Ротор (якір)

У розглянутому вище прикладі примітивного електромотора ротор складається з двухзубцового якоря на одній обмотці, з чітко вираженими полюсами. Конструкція забезпечує обертання валу електромотора.

В описаному пристрої є істотний недолік: при зупинці обертання якоря, його обмотки займають стійке. Для повторного запуску електродвигуна потрібно повідомити валу якийсь момент, що крутить.

Цього серйозного недоліку позбавлений якір з трьома і великою кількістю обмоток. На малюнку 3 показано зображення трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 - якір з великою кількістю обмоток.

4 - якір з великою кількістю обмоток

Малюнок 3. Ротор з трьома обмотками Малюнок 3 Малюнок 4. Якір з багатьма обмотками

Подібні ротори досить часто зустрічаються в невеликих малопотужних електродвигунах.

Для побудови потужних тягових електродвигунів і з метою підвищення стабільності частоти обертання використовують якоря з великою кількістю обмоток. Схема такого двигуна показана на малюнку 5.

Схема такого двигуна показана на малюнку 5

Малюнок 5. Схема електромотора з багатообмотувальних якорем

колектор

Якщо на висновки обмоток ротора підключити джерело постійного струму, якір зробить півоберта і зупиниться. Для продовження процесу обертання необхідно поміняти полярність підводиться струму. Пристрій, що виконує функції перемикання струму з метою зміни полярності на висновках обмоток, називається колектором.

Найпростіший колектор складається з двох, ізольованих напівкруглих пластин. Кожна з них в певний момент контактує зі щіткою, з якої знімається напруга. Одна ламель завжди приєднана до плюса, а друга - до мінуса. При повороті вала на 180º пластини колектора міняються місцями, внаслідок чого відбувається нова комутація зі зміною полярності.

Такий же принцип комутації харчування обмоток використовуються у всіх колекторах, в т. Ч. І в пристроях з великою кількістю ламелей (по парі на кожну обмотку). Таким чином, колектор забезпечує комутацію, необхідну для безперервного обертання ротора.

У сучасних конструкціях колектора ламелі розташовані по колу таким чином, що кожна пластина відповідної пари знаходиться на діаметрально протилежному боці. Ланцюг якоря комутується в результаті зміни положення вала.

Принцип роботи

Ще зі шкільної лави ми пам'ятаємо, що на провід під напругою, розташований між полюсами магніту, діє виштовхуюча сила. Відбувається це тому, що навколо дроту утворюється магнітне поле по всій його довжині. В результаті взаємодії магнітних полів виникає результуюча «Амперова» сила:

F = B × I × L, де B означає величину магнітної індукції поля, I - сила струму, L - довжина проводу.

Вектор «Амперовой» завжди перпендикулярний до ліній магнітних потоків між полюсами. Схематично принцип роботи зображений на рис. 6.

6

Мал. 6. Принцип роботи ДПТ

Якщо замість прямого провідника візьмемо контурну рамку і подсоединим її до джерела струму, то вона повернеться на 180º і зупиниться в в такому положенні, в якому результуюча сила дорівнюватиме 0. Спробуємо підштовхнути рамку. Вона повертається у вихідне положення.

Поміняємо полярність струму і повторимо спробу: рамка зробила ще півоберта. Логічно припустити, що необхідно міняти напрямок струму щораз, коли відповідні витки обмоток проходять точки зміни полюсів магнітів. Саме для цієї мети і створено колектор.

Схематично можна уявити собі кожну якірну обмотку у вигляді окремої контурної рамки. Якщо обмоток кілька, то в кожен момент часу одна з них підходить до магніту статора і виявляється під дією сили, що виштовхує. Таким чином, підтримується безперервне обертання якоря.

типи ДПТ

Існуючі електродвигуни постійного струму можна класифікувати за двома основними ознаками: за наявністю або відсутністю в конструкції двигуна щітково-колекторного вузла і за типом магнітної системи статора.

Розглянемо основні відмінності.

За наявності щітково-колекторного вузла

Двигуни постійного струму для комутації обмоток, яких використовуються щітково-колекторні вузли, називаються колекторними. Вони охоплюють великий спектр лінійки моделей електромоторів. Існують двигуни, в конструкції яких застосовується до 8 щітково-колекторних вузлів.

Функції ротора може виконувати постійний магніт, а струм від електричної мережі подається безпосередньо на обмотки статора. У такому варіанті відпадає потреба в колекторі, а проблеми, пов'язані з комутацією, вирішуються за допомогою електроніки.

У таких безколекторних двигунах усунутий один з недоліків -іскреніе, що приводить до інтенсивного зносу пластин колектора і щіток. Крім того, вони простіше в обслуговуванні і зберігають всі корисні властивості ДПТ: простота в управлінні пов'язаному з регулюванням обертів , Високі показники ККД і інші. Безколекторні мотори звуться вентильних електродвигунів .

По виду конструкції магнітної системи статора

У конструкціях синхронних двигунів існують моделі з постійними магнітами і ДПТ з обмотками збудження. Електродвигуни серій, в яких застосовуються статори з потоком збудження від обмоток, досить поширені. Вони забезпечують стабільну швидкість обертання валів, високу номінальну механічну потужність.

Про способи підключення статорних обмоток йшлося вище. Ще раз підкреслимо, що від вибору схеми підключення залежать електричні та тягові характеристики двигунів постійного струму. Вони різні в послідовних обмотках і в котушках з паралельним збудженням.

управління

Не важко зрозуміти, що якщо змінити полярність напруги, то напрямок обертання якоря також зміниться. Це дозволяє легко управляти електромотором, маніпулюючи полярністю щіток.

механічна характеристика

Розглянемо графік залежності частоти від моменту сили на валу. Ми бачимо пряму з негативним нахилом. Ця пряма висловлює механічну характеристику електродвигуна постійного струму. Для її побудови вибирають певний фіксований напруга, підведений для харчування обмоток ротора.

Для її побудови вибирають певний фіксований напруга, підведений для харчування обмоток ротора

Приклади механічних характеристик ДПТ незалежного збудження

Така ж пряма, але йде з позитивним нахилом, є графіком залежності частоти обертання якоря від напруги живлення. Це і є регулювальна характеристика синхронного двигуна.

Побудова зазначеного графіка здійснюється при певному моменті що розвивається ДПТ.

Побудова зазначеного графіка здійснюється при певному моменті що розвивається ДПТ

Приклад регулювальних характеристик двигуна з якірним керуванням

Завдяки лінійності характеристик спрощується управління електродвигунами постійного струму. Оскільки сила F пропорційна току, то змінюючи його величину, наприклад змінним опором, можна регулювати параметри роботи електродвигуна.

Регулювання частоти обертання ротора легко здійснюється шляхом зміни напруги. У колекторних двигунах за допомогою пускових реостатів домагаються плавності збільшення оборотів, що особливо важливо для тягових двигунів. Це також один з ефективних способів гальмування. Мало того, в режимі гальмування синхронний електродвигун виробляє електричну енергію, яку можна повертати в енергомережу.

Області застосування

Перераховувати всі області застосування електродвигунів можна нескінченно довго. Для прикладу назвемо лише кілька з них:

  • побутові і промислові електроінструменти;
  • автомобілебудування - склопідйомники, вентилятори і інша автоматика;
  • трамваї, тролейбуси, електрокари, підйомні крани та інші механізми, для яких важливі високі параметри тягових характеристик.

Переваги і недоліки

До переваг відноситься:

  • Лінійна залежність характеристик електродвигунів постійного струму (прямі лінії) спрощують управління;
  • Легко регульована частота обертання;
  • хороші пускові характеристики;
  • компактні розміри.

У асинхронних електродвигунів, що є двигунами змінного струму дуже важко досягти таких характеристик.

недоліки:

  • обмежений ресурс колектора і щіток;
  • додаткова витрата часу на профілактичне обслуговування, пов'язане з підтриманням колекторно-щіткових вузлів;
  • з огляду на те, що ми користуємося мережами зі змінним напругою, виникає необхідність випрямлення струму;
  • дорожнеча в виготовленні якорів.

За перерахованими параметрами з недоліків у виграші виявляються моделі асинхронних двигунів. Однак у багатьох випадках застосування електродвигуна постійного струму є єдино можливим варіантом, що не вимагає ускладнення електричної схеми.

Відео на додаток до написаного



© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. by nucleart.net 2008