Электрические машины постоянного тока: конструкция и принцип действия

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора в модели рис. 2,

Фигура 2

где 1 — полюса индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки. Выводы обмотки якоря расположены на поверхности якоря.

Наружные поверхности проводников очищают от изоляции и на эти поверхности проводников накладывают неподвижные контактные щетки. Контактные щетки размещены на геометрической нейтральной линии, проведенной посередине между полюсами. Вращаем якорь машины в направлении, указанном стрелкой. Определим направление ЭДС индукции в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис. 2 крестиком обозначено ЭДС, удаляющееся от нас, точками – ЭДС, движущееся к нам. Соединяем проводники между собой так, чтобы к ним добавилась ЭДС. Для этого соедините последовательно конец проводника, расположенный в районе одного полюса, с концом проводника, расположенным в районе полюса противоположной полярности (рис. 3)

Рис.3

Два последовательно соединенных проводника образуют петлю или катушку.

ЭДС проводников, находящихся в зоне одного полюса, различна по величине. Наибольшая ЭДС индуцируется в проводнике, расположенном ниже центра полюса, ЭДС равная нулю, в проводнике, расположенном на линии геометрического нейтрали.

Если все проводники обмотки соединить последовательно по определенному правилу, то результирующая ЭДС обмотки якоря равна нулю, ток в обмотке отсутствует.

Контактные щетки делят обмотку якоря на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви наводится ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви — противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.

Эквивалентная схема обмотки якоря

На параллельные ветви действуют одинаковые ЭДС, направленные друг против друга. При подключении к обмотке сопротивления якоря в параллельных ветвях возникают одинаковые токи
, ток IL протекает через резистор RH Рис. 1. 4ЭДС обмотки якоря пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

(а)

где Ce — постоянная.

В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство — коллектор. Коллектор установлен на одной оси с сердечником якоря и состоит из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками обмотки якоря. Неподвижные контактные щетки перекрывают коллектор. С помощью контактных щеток вращающаяся обмотка якоря подключается к сети постоянного тока или к нагрузке.

Якорь двигателя

Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, то есть может работать в генераторном или моторном режиме. Если к зажимам якоря вращающегося генератора подключить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС обмотки якоря в цепи возникает ток

где U — напряжение на зажимах генератора; Rya – сопротивление обмотки якоря.

(два)

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.

На рис. 5 — схематическое изображение генератора постоянного тока, показывающее направления токов в проводниках обмотки якоря.

Рис пять

Используя правило левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мем, препятствующий вращению якоря генератора.Для того чтобы машина функционировала как генератор, необходимо вращать ее якорь первичным двигателем, преодолевая момент электромагнитного торможения, происходящий по правилу Ленца.

Генераторы с независимым возбуждением. Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от внешнего источника питания на полюсную обмотку возбуждения.

Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.

Магнитное поле генераторов с раздельным возбуждением можно создать из постоянных магнитов (рис. 7).

Рис фигурка 6 7

Зависимость генератора ЭДС от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода Е = Uxx = f (Iv). Характеристика холостого хода получается при разомкнутой внешней цепи (Iа) и при постоянной частоте вращения (n2 = константа)

Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.

Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю, когда ток возбуждения равен нулю. С увеличением тока возбуждения сначала пропорционально возрастает ЭДС генератора, соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейной. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, поэтому кривая будет иметь кривую. При дальнейшем увеличении тока возбуждения ЭДС генератора остается практически неизменной.

При уменьшении тока возбуждения кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса. Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки U = f (I) в токе возбуждения Iв = const называется внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора показана на рис.9.

Рис. 8 цифра девять

С увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения на обмотке якоря.

5. Генераторы с автовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость отдельного источника питания. Но при определенных условиях обмотка возбуждения может питаться током якоря генератора.Генераторы с самовозбуждением имеют одну из трех схем: параллельное, последовательное и смешанное возбуждение.

На рис. 10 показан генератор с параллельным возбуждением.

Рисунок 10

Обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря. В цепь привода включен реостат Rv. Генератор работает на холостом ходу Для самовозбуждения генератора должны быть выполнены определенные условия.

Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток наводит небольшую остаточную ЭДС в обмотке якоря.

Второе условие – согласованное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, улучшающий остаточный магнитный поток. Увеличение магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать при некотором токе возбуждения Iв = постоянный и ЭДС Е = постоянный, зависящий от сопротивления Rв в цепи возбуждения.

Третье условие – сопротивление цепи привода на заданной скорости должно быть меньше критического. Представим на рис. 11 приведены характеристика генератора холостого хода Е = f (Iв) (кривая 1) и вольт-амперная характеристика сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв Iв, где Uв — падение напряжения в цепи возбуждения. Эта особенность представляет собой линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ ~ Rv).

Рис одиннадцать

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при соответствующем включении обмотки возбуждения. Наведенная ЭДС в якоре увеличивается, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС возбуждающего тока замедляется при насыщении магнитопровода машины.

Падение напряжения в цепи привода пропорционально увеличению тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме, если увеличить сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 относительно оси тока увеличивается. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещена к началу координат. При определенном значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когда γ = γкр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении

Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя

Под действием напряжения, приложенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iа. Когда ток взаимодействует с магнитным полем индуктора, возникает электромагнитный момент

где СМ — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя. 12 схематически изображен двигатель постоянного тока, вывод обмотки якоря выделен.

Ток в проводнике движется от нас. Направление электромагнитного момента определяется правилом левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках обмотки якоря наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Эта ЭДС направлена ​​против тока якоря, ее называют противоЭДС рис. 1. 12

В установившемся режиме электромагнитный момент Мем уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 вращающегося ведомого механизма.

Рисунок 13

На рис. 13 показана эквивалентная схема обмотки якоря двигателя. ЭДС направлена ​​против тока якоря. По второму закону Кирхгофа
, куда

. (3)

Уравнение (3) называется уравнением главного двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

(4)
(пять)

Магнитный поток F зависит от тока возбуждения Iv, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что скорость двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:

1. изменять ток возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;
2. изменить ток якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;
3. изменение напряжения U на зажимах обмотки якоря.

Для изменения направления вращения двигателя на обратное (реверс двигателя) необходимо изменить направление тока в якоре или обмотке якоря.

Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме (рис. 14). Обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря.

Рис четырнадцать

, куда

Механической характеристикой двигателя является зависимость скорости якоря n2 от момента на оси М2 при U = const и Iв = const.

Уравнение (6) представляет собой уравнение механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.

Эта функция сложная. При увеличении нагрузки скорость вращения такого двигателя несколько снижается (рис. 15).

На рис. 16 показан двигатель с последовательным возбуждением. Обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены последовательно.

Рис. 15

Рис шестнадцать

Ток возбуждения двигателя также является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

где к — коэффициент пропорциональности Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

куда

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения плавная (рис. 17).

Рис. 17

Уравнение для механической характеристики двигателя с последовательным возбуждением выглядит следующим образом:

При увеличении нагрузки скорость двигателя резко падает. При уменьшении нагрузки на валу двигатель развивает очень большую скорость. Говорят двигатель плохой. Работа двигателя возбуждения без нагрузки не допускается. Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя с параллельным и последовательным возбуждением. Двигатели с параллельным возбуждением применяют для привода станков и различных механизмов, требующих широкого, но жесткого набора скорости. Двигатели с последовательным возбуждением применяют в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т д. Скажем, рывки крутящего момента, недопустимы.

Машины постоянного тока: устройство и принцип действия

Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального хомута, к которому прикреплены полюса. Назначение индуктора — создать основной магнитный поток в машине.

Вращающаяся часть машины состоит из цилиндрического якоря и коллектора, закрепленного на валу. Якорь состоит из сердечника из листов электротехнической стали и обмотки, закрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря простейшей машины имеет один виток.

Концы катушки соединены с изолированными по валу медными коллекторными пластинами, количество которых в рассматриваемом случае равно двум.

Две неподвижные щетки перекрывают коллектор, с помощью которого обмотка якоря подключается к внешней цепи.

Основной магнитный поток в обычных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсных сердечниках и питаемой постоянным током.

Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и оттуда через ярмо обратно к северному полюсу. Полюсные сердечники и ярмо также изготовлены из ферромагнитных материалов.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать и как двигатель, если на ее обмотку якоря подавать постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Мем.Значения Fпр и Мем применительно к генератору определяются равенствами (4) и (5) . При достаточном значении Мем якорь машины начнет вращаться и развивать механическую мощность. В этом случае момент Мем приводит в движение и действует в направлении вращения.

Если мы хотим, чтобы направление вращения генератора (рис. 2, а) и двигателя (рис. 2, б) было одинаковым при одинаковой полярности полюсов, то направление действия, а значит, и направление тока Iа от двигателя, он должен быть инвертирован по отношению к генератору (рис. 2, б).

В моторном режиме коллектор преобразует постоянный ток, потребляемый из внешней цепи, в переменный ток в обмотке якоря и, таким образом, работает как инвертор тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, поэтому в обмотке якоря двигателя ds Ea также индуцируется e, величина которого определяется равенством (1).

Направление этого э д в двигателе (рис. 2, б) такое же, как и в генераторе (рис. 2, а). Таким образом, в двигателе постоянного тока якорь Ea направлен против тока Ia и напряжения Ua, приложенного к зажимам якоря. Поэтому якорь двигателя также называют обратной ЭДС.

Напряжение, подаваемое на якорь двигателя, уравновешивается e ds Ea и падением напряжения в обмотке якоря:

Ua = Ea + Ia × ra.

(6)

Сравнение равенств (3) и (6) показывает, что в генераторе Ua < Ea, а в двигателе Ua > Ea.

Принцип обратимости

Из вышеизложенного следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Это свойство присуще всем видам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для переключения машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и наоборот с той же полярностью полюсов и щеток и с тем же направлением вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря, возможен переход производиться очень просто, а при определенных условиях даже автоматически.Так же изменение режима работы может происходить и в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

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

Рис. 5. Направление e ds, тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона, применяемому к вращающемуся телу, движущий и тормозной моменты, действующие на это тело, уравновешивают друг друга. Следовательно, в генераторе в установившемся режиме электромагнитный момент

Мем = Мв — Мтр — Мс,

(7а)

где Mv — момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mfr — момент сил трения в подшипниках, в воздухе и в коллекторе электрической машины, Ms — тормозной момент, обусловленный гистерезисными потерями и вихревыми токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности возникают из-за вращения сердечника якоря в стационарном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают тормозящее действие на якорь и в этом смысле ведут себя как силы трения.

В двигателе в установившемся режиме

Мем = Мв + Мтр + Мс,

(7б)

где Mv — тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (машиной, насосом и т.п.).

В генераторе Mem — это тормозной момент, а в двигателе — момент, и в обоих случаях Mv и Mem направлены в противоположные стороны.

Мощность Pem, развиваемая электромагнитным моментом Mem, называется электромагнитной мощностью и равна

Pem = Pem × Ом,

(8)

куда

Ω = 2 × π × n,

(9)

— угловая скорость вращения.

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

Итак, мы получаем

Pem = 2 × B × l × D × I × π × n = 2 × B × l × v × I

или на основании выражения (1)

Pem = Ea × Ia.

(10)

В обмотке якоря под действием э д д Еа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Па = Еа × Iа.

(11)

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

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

Ua × Ia = Ea × Ia – Ia2 × ra

(12)

и для двигателя

Ua × Ia = Ea × Ia + Ia2 × ra.

(13)

Левые части этих выражений представляют собой электрическую мощность на зажимах якоря, первые члены правых частей представляют собой электромагнитную мощность якоря, а последние члены представляют собой электрические потери якоря.

Приведенные выше соотношения справедливы и для более сложной обмотки якоря, так как p ds и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

По ним механическая мощность, развиваемая первичным двигателем на валу генератора, за вычетом механических и магнитных потерь, преобразуется в электрическую в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке направляется в внешний контур. В двигателе электрическая энергия, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотках якоря, а остальная часть этой энергии преобразуется в энергию электромагнитного поля, а последняя часть преобразуется в механическую энергию, которая за вычетом потери на трение и потери в арматурной стали, передаются на рабочую машину.

Общие схемы преобразования мощности, указанные выше, применимы к машинам постоянного тока и в равной степени применимы к машинам переменного тока.

Классификация МПТ

В электротехнике и теории электрических машин принято разделять МПД на устройства с явными и неявными полюсами возбуждения, с цилиндрическими или многогранными корпусами, с возбуждением постоянным током или постоянными магнитами, с механическим коллектором-переключателем с якорем или без контакта. Назначение машин постоянного тока делит их на общепромышленные и специализированные. Среди последних можно назвать, например, тяговые двигатели постоянного тока, применяемые на железнодорожном транспорте. Есть и металлургические ДПТ, особенно двигатели для прокатных станов и т.д.

Как известно, обмотки машин постоянного тока делятся на обмотки возбуждения (ОБ) и обмотки якоря (ОА). Первые служат для возбуждения магнитного поля устройства, а вторые для отбора мощности из сети в моторном режиме или для питания электрической нагрузки в генераторном режиме. Существуют также дополнительные полюсные обмотки, которые используются для облегчения процесса переключения.

Электрические машины постоянного тока, будь то генераторы или двигатели, можно классифицировать по схемам соединения их обмоток возбуждения и якоря. Они могут образовывать единую электрическую цепь или вообще не иметь электрической связи (независимое возбуждение). Этот принцип классификации делит ТМ на два основных типа. Дальнейшую его классификацию вы поймете из схемы ниже.

С независимым возбуждением

Обмотки возбуждения и якоря электрически не связаны. У генераторов этого типа обмотка возбуждения питается от сети постоянного тока, аккумулятора или специально предназначенного для этого генератора — возбудителя. Мощность последнего составляет несколько сотых от мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

1. значительные энергосистемы, где напряжение в обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
2. системы регулирования скорости вращения двигателей с питанием от генераторов.

Для двигателей с независимым возбуждением также поставляется обмотка якоря. В основном это тоже агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора делает более удобным и экономичным регулирование тока возбуждения. Еще одной характеристикой таких двигателей является постоянство магнитного потока возбуждения при любых нагрузках на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря включены в цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно используются для средних мощностей. При параллельном соединении напряжение, вырабатываемое устройством, подается на обмотку возбуждения. При включении в цепь обмотки якоря и индуктора говорят о генераторе с самовозбуждением.

В двигателях с параллельным возбуждением индуктор питается тем же напряжением и от того же источника питания, что и якорь.

По своим характеристикам они идентичны двигателям с независимым возбуждением и имеют следующие характеристики:

• при изменении нагрузки скорость вращения практически не трансформируется: замедление не более 8% при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке;
• можно регулировать скорость вращения с минимальными потерями и в широких пределах: в 2 раза, а для специально разработанных двигателей и в 6 раз.

Поле вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отключать от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к значительной индукции ЭДС в обмотке возбуждения с последующим отказом двигателя. Находящийся поблизости персонал может быть ранен.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены последовательно друг с другом. Ток якоря протекает через обмотку возбуждения. Генераторы этого типа практически не используются, так как процесс самовозбуждения происходит довольно быстро, и устройство не может обеспечить необходимую постоянство напряжения для большинства потребителей. Они используются только в специальных установках.

Схема последовательного привода

Двигатели этого типа широко применяются в качестве тяговых двигателей (электровозы, троллейбусы, краны и др.) — по сравнению с аналогами параллельного возбуждения при нагрузке они дают более высокий крутящий момент при одновременном снижении скорости вращения. Стартовый крутящий момент также высок.

Запуск двигателя с нагрузкой менее 25% от номинальной, а тем более на холостом ходу, недопустим – скорость вращения будет слишком высокой, и агрегат выйдет из строя.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два типа схемы:

1. основная обмотка индуктора включена параллельно якорю, вспомогательная обмотка включена последовательно;
2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорем, вспомогательная обмотка включена параллельно.

Схемы систем возбуждения МРТ

Соединение параллельной обмотки с последовательной обмоткой называется «коротким шунтом», после последовательной обмотки — «длинным шунтом». Генераторы этого типа используются очень редко.

Моторы сочетают в себе преимущества аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: они могут работать на холостом ходу и при этом развивать значительное тяговое усилие. Но сегодня они почти не используются.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженном МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОН, создаваемый токами в этих обмотках. Силовые линии первого из них направлены по осям пары полюсов, которыми он замыкается, как показано на фиг.1 следующего рисунка. Такой поток возбуждения называется продольным. Если в МПД более двух полюсов, то в воздушном промежутке ниже наконечника каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОН замыкаются через ось полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном якорном поле, что показано на рис. 2 на том же рисунке.

Поток якоря добавляется к потоку возбуждения, чтобы сформировать результирующий поток. Это реакция якоря машины постоянного тока, заключающаяся в действии поперечного поля на продольное поле возбуждения, силовые линии которого при этом искажаются, утолщаясь у одного края полюса и утончаясь у другого. В КВД силовые линии утолщены, т е их усиление относительно поля возбуждения происходит ниже края стойки, идущей над анкером, а в ДПТ — ниже спуска, как показано на рис. 3.

Особенности двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока имеют неоспоримое преимущество перед своими аналогами, работающими на переменном токе. Эти приводы могут плавно и точно регулировать скорость вращения, имеют высокую скорость, а также большие перегрузочный и пусковой моменты.

Сегодня они используются:

• в металлорежущих станках, роботах, манипуляторах, грузоподъемных механизмах, прокатных станках (электроприводы подачи и главного движения);
• в тяговых приводах мощных транспортных средств, таких как тракторы, троллейбусы, трамваи, электровозы;
• в мощных снегоочистителях;
• в качестве исполнительных элементов систем автоматического управления и др.

Машина постоянного тока — троллейбусный двигатель

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть при определенном подключении могут использоваться как двигатель или как генератор тока.

Секционный генератор

Устройство машин постоянного тока

1. Коммутатор — скользящий металлический контакт, через который ротор соединяется с внешними электрическими цепями;
2. Щетки (обычно графитовые или медно-графитовые): аналог скользящего контакта, постоянно трущиеся о коллектор при вращении ротора;

Коммутация в машинах постоянного тока

1. Ротор (якорь) — подвижная часть агрегата. При его вращении начинается процесс электромагнитной индукции.
2. Основные столбы;
3. Катушка возбуждения;

Наконечник! Точки 4 и 5 — части статора, стационарной электрической части машины, которая может выполнять функции мощного электромагнита (режим двигателя) или обмотки возбуждения напряжения (режим генератора).

1. Кровать — блок кузова;
2. Боковая крышка, закрывающая охлаждающую крыльчатку и являющаяся опорой для подшипников, на которых вращается ротор;
3. Вентилятор – предназначен для охлаждения машины во время работы.

Интересно знать! Ни один двигатель не может преобразовывать энергию без потерь; часть его всегда превращается в тепло.

Устройство и принцип действия машин постоянного тока — статор

Основными рабочими частями машин постоянного тока являются ротор, который здесь часто называют якорем, и статор. Эта часть конструкции называется внутренней электрической.

Также имеется внешняя электрическая часть, с помощью которой осуществляется управление двигателем и подключение внешних электрических сетей.

Устройство машины постоянного тока – якорь располагается на валу

Остальные элементы относятся к механической части.

• Каркас машины постоянного тока изготовлен из прочного металла, как правило, из конструкционной стали.
• Основной и дополнительный полюса статора крепятся к внутренней стороне рамы. Сердечники основных полюсов изготовлены из стальных пластин. Для дополнительных постов они в основном массовые.
• Обмотка возбуждения расположена на главных полюсах — их МДС формируют рабочий ток. Дополнительные полюсные обмотки обеспечивают нормальную коммутацию.

Коммутация тока в машинах постоянного тока

• Вращающийся магнитный сердечник ламинирован специальной электромагнитной сталью.

Сам якорь имеет следующую структуру:

Рис. 5. Схема электродвигателя с многообмоточным якорем

Коллектор

Если к клеммам обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь повернется на пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность входного тока. Устройство, выполняющее функции изменения тока для смены полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Простейший коллектор состоит из двух изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в какой-то момент соприкасается с кистью, что снимает напряжение. Один лист всегда подключен к плюсу, а второй к минусу. При повороте оси на 180º пластины коллектора меняются местами, поэтому происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используется во всех коллекторах, даже в устройствах с большим количеством листов (по одной паре на каждую обмотку). Таким образом, коммутатор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

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

Принцип работы

На провод, находящийся под напряжением, между полюсами магнита действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг кабеля по всей его длине формируется магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая сила «Ампер:

F=B×I×L, где B — величина магнитной индукции поля, I — сила тока, L — длина кабеля.

Вектор Ампера всегда перпендикулярен линиям магнитного потока между полюсами.

Схематически принцип работы показан на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника взять контурную рамку и подключить ее к источнику тока, то она повернется на 180º и остановится в положении, при котором равнодействующая сила будет равна 0. Попробуем толкнуть рамку. Он возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и попробуем еще раз: коробка сделала еще пол-оборота.

Схематически каждую обмотку якоря можно представить как отдельный контурный каркас. Если обмоток несколько, то в каждый момент одна из них приближается к магниту статора и находится под действием выталкивающей силы. Таким образом поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы двигателей постоянного тока

Двигатель постоянного тока является наиболее часто используемым приводом для создания непрерывного движения, скорость вращения которого можно легко регулировать. Они используются в таких устройствах, как регулирование скорости, сервоуправление.

Доступны три типа двигателей постоянного тока.

• Щеточный двигатель. Этот тип двигателя создает магнитное поле в обмотке ротора (вращающейся части) за счет пропускания электрического тока через коллектор и узел угольной щетки, отсюда и термин «щетка». Магнитное поле статоров (неподвижной части) создается обмоткой статора или постоянными магнитами.
• Бесщеточный двигатель: этот тип двигателя создает магнитное поле в роторе с помощью прикрепленных к нему постоянных магнитов. Переключение осуществляется электронным способом. Они используют переключатели с эффектом Холла в статоре, чтобы получить требуемую последовательность вращения поля статора и имеют более длительный срок службы.
• Серводвигатель. Этот тип двигателя представляет собой щеточный двигатель постоянного тока с неким регулятором обратной связи по положению, прикрепленным к валу ротора. Они подключены к ШИМ-контроллеру и управляются им. Используется в системах управления положением и радиоуправляемых моделях.

Обычные двигатели постоянного тока имеют почти линейные характеристики, их скорость вращения определяется приложенным напряжением постоянного тока, а их выходной крутящий момент определяется током, протекающим через обмотки двигателя. Скорость вращения любого двигателя постоянного тока может варьироваться от нескольких оборотов в минуту (об/мин) до многих тысяч оборотов в минуту, что делает их подходящими для электронных, автомобильных или роботизированных приложений. Подключив их к коробкам передач или зубчатым передачам, их выходную скорость можно уменьшить, а крутящий момент на высокой скорости увеличить.

Вам понравилась статья? Расскажите своим друзьям: Оцените статью, это очень важно для нас: Голосовавших: 2 человека.
Средняя оценка: 3 из 5.

Рабочие моменты

Давайте рассмотрим некоторые особенности и характеристики машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

Регулятор скорости подключен к электродвигателю

В момент пуска двигателя якорь имеет фиксированное положение, а значит, ЭДС на нем равна нулю. Поскольку сопротивление обмотки якоря очень мало, пусковой ток якоря намного выше номинального тока. Если представить себе такой запуск двигателя, то он точно бы вышел из строя.

• Чтобы этого не произошло, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивают включенным в цепь пусковым реостатом.
• В этом случае пуск должен осуществляться с номинальным значением магнитного потока, за счет чего увеличивается пусковой момент и быстро возрастает ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель быстрее разгоняется и сокращается время прохождения через обмотку большого пускового тока.
• По окончании разгона двигателя реостат отключается от цепи; это делается плавно или поэтапно.
• Чтобы остановить двигатель, достаточно его выключить.
• Для любого электродвигателя доступен режим вращения в обратную сторону – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока в обмотке якоря или в обмотке статора.

Интересно знать! Одновременное изменение направления токов ни к чему не приведет, двигатель будет продолжать вращаться в том же направлении.

Потери мощности и КПД

Даже самый технически совершенный двигатель постоянного тока не может работать без потери мощности

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Они делятся на два типа: основные и дополнительные.

• К первым относятся магнитные, электрические и механические.
• Магнитные потери, возникающие в стали, обозначают ΔРс. Они возникают из-за того, что при вращении сердечник якоря постоянно перемагничивается, из-за чего возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
• Электрические потери (ΔRэл) возникают за счет активного сопротивления обмоток, а также контактного сопротивления щеток, т е эта величина представляется как сумма указанных потерь.
• К механическим (ΔРмех) относятся потери на трение в подшипниках, трение щеток в коллекторе, трение вращающегося якоря в воздухе (и такое есть), вентиляционные потери.
• Все остальные потери называются дополнительными и в основном связаны с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Потери незначительны на холостом ходу

Интересно знать! Потери мощности в режиме холостого хода, т.е без нагрузки, крайне малы.

Для расчета каждого вида потерь используются специальные формулы. Мы не будем углубляться в суть, а просто скажем, что эффективность машины постоянного тока определяется отношением выходной мощности к потребляемой мощности. Это значение обычно выражается в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. Его эффективность обычно колеблется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Производительность SDT

Рабочие характеристики находятся в следующих зависимостях:

• Скорость вращения, потребляемый ток и мощность двигателя;
• Эффективность полезной мощности при постоянном напряжении питания.
• Ток обмотки возбуждения и отсутствие добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Принципиальная схема регулятора скорости

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменением напряжения сети, регулированием реостата, изменением магнитного потока. Обо всем по порядку.

• Изменение напряжения осуществляется устройствами, которые фактически могут изменять величину напряжения.
• Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, требует введения в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть изменения его характеристик при определенных условиях.
• Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.

Конечно, мы назвали не все особенности машин постоянного тока, а только основные, но и этого достаточно для знакомства с этими агрегатами.