Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование. Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы

Большая часть техники работает, принимая электроэнергию и переделывая ее в механическую. Устройство, которое осуществляет такое превращение, называется электрическим двигателем. Очень популярны двигатели постоянного тока, которые для краткости обозначают аббревиатурой ДПТ. Их важность в нашей жизни нельзя переоценить: устройство и принцип действия электродвигателя изучают даже в школах на уроках физики.

В основе ДТП лежит влияние магнитного поля на внесенный в него проводник с током. Если по проводнику дать течь электротоку, сформируется магнитное поле, линии которого примут вид концентрических окружностей с центром в этом проводе. Чтобы узнать направление этих линий необходимо применить правило буравчика. Согласно ему, если электроток в проводнике направлен от нас к плоскости рисунка, то магнитные линии направлены по часовой стрелке. Если он течет от плоскости на нас, то направление линий – против часовой стрелки.

А теперь представьте дугообразный магнит. Он проиллюстрирован на рисунке ниже. Он формирует магнитное поле, и между северным и южным полюсом его линии выстраиваются в параллельные прямые. Причем выходят они из северного, а заходят в южный.

А теперь представьте, что случится, если в магнитное поле дугообразного постоянного магнита внести проводник, по которому проходит электроток. Картина будет следующей: с одной стороны направление круговых линий магнитного поля этого проводника идут против линий поля магнита. По правилу сложения векторов результирующее поле будет слабым. А с противоположной стороны направление круговых линий совпадет с направлением линий поля постоянного магнита. Поэтому в этом месте результирующее поле сформируется сильным. Из-за разнохарактерности магнитного поля проводник приходит в ход из более сильной области в более слабую.

Вы можете несколькими способами расположить проводник между полюсами постоянного магнита. Можно сделать верхним северный полюс, а можно – южным. Ток в проводнике в одном опыте может идти от нас, а в других – к нам. От этих мелочей зависит, в каком направлении магнитное поле вытолкнет проводник. А чтобы определить ее точно, для электродвигателей применяют правило левой руки. Его смысл состоит в том, что если разместить левую руку так, чтобы линии магнитного поля постоянного магнита врезались в ладонь, а четыре пальца смотрели бы по ходу электротока в проводнике, то оттопыренный на 90 градусов большой палец укажет, куда будет отклоняться этот проводник.

Для справки! Сила, вынуждающая проводник двигаться в поле, называется силой Ампера. Численно она эквивалентна произведению силы тока в проводе и его длины, а также вектора магнитной индукции поля, в который помещен этот провод. Формула: F=IBL .

Модель ДПТ

Из теоретических основ видно, что для электродвигателя присутствие постоянного магнитного поля обязательно. Для этого в маломощных ДПТ применяют постоянные магниты. Для средне- и высокомощных агрегатов требовались бы очень громоздкие магниты, поэтому их заменяют обмоткой возбуждения, иногда – индуктором. По ним пропускают ток, и они формируют магнитное поле.

Элеентарная модель ДТП – это однородное магнитное поле, внутрь которого поставлена рамка. По ней пускают ток. Сначала она оборачивается, а достигнув положения «горизонтально» – останавливается. Такое положение называют мертвой точкой. Останавливается рамка потому, что по одной стороне ток течет в одну сторону, а с другой – в противоположную. Это значит, что они образуют взаимообратные поля. Они возмещают действия друг друга, и движение прекращается. Чтобы оно было бесконечным, необходима еще одна рамка, сцепленная с первой. Тогда всегда какая-то из двух рамок будет создавать разнородность в поле, которая будет заставлять двигаться рамочную систему целиком.

Устройство и принцип действия ДПТ

Устройство двигателя постоянного тока включает в себя:

• Якорь – подвижная часть мотора, его ротор. Визуально это пластины или вал с пазами, в которые уложен проводник;
• Статор – статическая часть, играющая роль подковообразного магнита. У статора может быть больше двух полюсов, но иллюстрировать мы будем работу двухполюсного электродвигателя (рисунок ниже);
• Коллектор – переключатель, соединяющий якорную намотку с электросхемой мотора. Необходим для изменения направления тока в проводе.

Теперь о том, как работает двигатель постоянного тока:

1. По верхнему проводнику якоря пускается электроток, направленный к плоскости рисунка;
2. По нижнему проводнику якоря электроток направляется к нам от рисунка;
3. Верхние провода по правилу левой руки под действием силы Ампера движутся вправо;
4. Нижние провода согласно тому же правилу направляются влево. Но поскольку провода уложены в пазы вала, объединяющего все намотки в единую систему, в движение приводится якорь целиком;
5. Когда намотка, в которой электроток движется к плоскости схемы, достигнет нижнего положения, по правилу левой руки она будет толкать якорь влево. Поэтому движение вала будет тормозиться;
6. Двигатели созданы для продолжительной работы, поэтому нельзя допустить торможения якоря. Для этого направление течения электротока нужно поменять в момент пересечения мертвой точки. Для этой цели и применяется коллектор.

Внимание! Коллектор меняет направление тока только в рамке, роль которой играет намотка якоря. Во внешней цепи течение сохраняется прежним.

Разновидности ДПТ

Двигатели ПТ делят на четыре группы:

1. Коллекторные .
   Их классифицируют по подтипам:
   1. С одним коллектором и четным числом намоток;
   2. С парой коллекторов и двумя обмотками;
   3. С тремя коллекторами и таким же числом намоток;
   4. С четырьмя коллекторами и двумя намотками;
   5. С четырьмя коллекторами и таким же числом обмоток на якоре;
   6. С восемью коллекторами и безрамочным якорем.

Это тип электродвигателя, описанный выше. Его преимущества – отличный запуск, нет затруднений в реверсировании и регулировании частоты вращения мотора. К достоинству также относят простое устройство и легкое управление. Недостаток только один – уж очень быстро изнашивается коллектор. А это не самый дешевый элемент двигателя.

1. Инверторные .

Инверторный ДПТ имеет те же преимущества, что и коллекторный. Отличие состоит лишь в том, что переключение производится электронным путем за счет передачи информации датчиком положения ротора. Поэтому мотор обретает дополнительное достоинство – отсутствие изнашиваемых элементов, что делает двигатель более экономичным.

1. Униполярный ДПТ .

В основе принципа действия такого двигателя – все то же влияние магнитного поля на проводник с током. Но в поле помещается не проволочная намотка, а диск на оси. Ток подается так: один контакт соединен с осью диска, а другой – с его краем.

1. Универсальный коллекторный ДПТ .

Устройство и принцип действия аналогичен коллекторному электродвигателю постоянного тока. Отличие содержится в том, что питать якорную намотку можно от источника, как постоянного тока, так и переменного. В сетях электроток имеет частоту 50 Гц. Значит, 50 раз в секунду токодвижение производится в одну сторону, и 50 раз – в другую. Казалось бы, якорь в таком случае с такой же частотой должен вращаться то в одну, то в другую сторону. Но этого не происходит, потому что общая цепь мотора соединена последовательно. И если меняется ток в якоре, то и в статоре тоже. Поэтому направление вращения вала сохраняется.

двигатель постоянного тока ,

Электродвигатели – это устройства, в которых электрическая энергия превращается в механическую. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции.

Однако способы взаимодействия магнитных полей, заставляющих вращаться ротор двигателя, существенно различаются в зависимости от типа питающего напряжения – переменного или постоянного.

В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.

В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел. Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя. К нему подключены концы обмотки якоря.

Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали. Конструктивно такая задача решается разделением кольца коллектора на секторы, разделенные диэлектрическими пластинами. Концы обмоток якоря присоединяются к ним поочередно.

Чтобы соединить коллектор с питающей сетью используются так называемые щетки – графитовые стержни, имеющие высокую электрическую проводимость и малый коэффициент трения скольжения.

Обмотки якоря не подключены к питающей сети, а посредством коллекторно-щеточного узла соединены с пусковым реостатом. Процесс включения такого двигателя состоит из соединения с питающей сетью и постепенного уменьшения до нуля активного сопротивления в цепи якоря. Электромотор включается плавно и без перегрузок.

Особенности использования асинхронных двигателей в однофазной цепи

Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле статора проще всего получить от трехфазного напряжения, принцип действия асинхронного электродвигателя позволяет ему работать и от однофазной, бытовой сети, если в их конструкцию будут внесены некоторые изменения.

Для этого на статоре должно быть две обмотки, одна из которой является «пусковой». Ток в ней сдвигается по фазе на 90° за счет включения в цепь реактивной нагрузки. Чаще всего для этого

Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.

Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый , то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.

Такие электромоторы способны развивать очень высокие обороты, компактны и имеют больший вращающий момент. Однако наличие коллекторно-щеточного узла снижает их моторесурс – графитовые щетки достаточно быстро истираются на высоких оборотах, особенно если коллектор имеет механические повреждения.

Электродвигатели имеют самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.

Синхронный принцип работы электродвигателя на видео

6.2. Конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока. Технические средства автоматизации и управления

6.2. Конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока

В качестве исполнительных элементов во многих устройствах автоматики: в радиоэлектронных, оптических, механических, а также и портативных аппаратах, снабжённых автономными источниками электрической энергии, широко используются электродвигатели постоянного тока. Эти двигатели имеет ряд преимуществ перед другими видами ИЭ: линейность механических характеристик (ДПТ), хорошие регулировочные свойства, большой пусковой момент, высокое быстродействие, большой диапазон по мощность различных типов ДПТ и хорошие весогабаритные показатели.

Основным недостатком этих двигателей является наличие щеточно-коллекторного устройства, ограничивающего срок службы ДПТ и удорожающего обслуживания ДТП, вносящего дополнительные потери, являющегося источником помех и практически исключающего возможность использования ДПТ в условиях агрессивных и взрывоопасных сред.

6.2.1. Конструкция ДПТ

Конструктивно ДПТ состоит из статора (неподвижной части) и ротора или якоря (вращающейся части), помещённого внутри статора. Упрощённо конструкцию машины можно пояснить с помощью рис.61.

Статор состоит из стальной станины 1, на внутренней поверхности которой расположены главные полюса, состоящие из сердечников 2 и катушек возбуждения 3. В нижней части сердечника полюса имеется полюсный наконечник 4, который обеспечивает нужное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. К станине с торцевых сторон прикреплены подшипниковые щиты (на рис. 61 не показаны), к одному из которых прикреплены щёткодержатели с металлографитовыми щётками 9.

Ротор (якорь ) ДПТ состоит из сердечника 5, обмотки якоря 6, коллектора 7 и вала 8.

Сердечник 5 представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали, с отверстием под вал двигателя и с пазами, в которых укладываются проводники обмотки якоря.

Коллектор 7 – цилиндр, набранный из медных пластин трапециевидного сечения, изолированных электрически друг от друга и от вала двигателя.

Обмотка якоря машины представляет собой замкнутую систему проводников, уложенных и укреплённых в пазах сердечника 5. Она состоит из секций (катушек), выводы которых соединены с двумя коллекторными пластинами. У микромашин обычного исполнения с одной парой полюсов на статоре обмотка якоря представляет собой простую петлевую обмотку (схема рис.62), при построении которой выводы секций обмоток присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам, а число секций обмотки и число коллекторных пластин коллектора одинаково.

Обмотка , схема которой приведена на рис. 62, содержит 4 секции, каждая из которых состоит из активных сторон 1, располагающихся в пазах сердечника и лобовых частей 2, посредством которых активные стороны секций соединяются между собой и с коллекторными пластинами. Чтобы ЭДС, наводимые в активных сторонах секций складывались, необходимо расположить активные стороны одной секции в пазах сердечника, отстоящих друг от друга на расстоянии полюсного деления t. Ротор, приведенный на рис. 6.1, имеет 8 активных проводников, причем секции образуют проводники 1 – 5, 2 – 6, 3 – 7 и 4 – 8.

6.2.2. Электромагнитный момент ДПТ

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии тока проводников обмотки якоря с магнитным полем возбуждения, в результате чего на каждый проводник обмотки якоря действует электромеханическая сила, а совокупность сил, действующих на все активные проводники обмотки, образует электромагнитный момент машины. Пусть у нас есть рамка с током, помещенная в поле постоянного магнита. Рис. 63.

На каждый проводник с током, помещенный в магнитное поле машины действует электромагнитная сила:

где l- длина активного проводника, B - индукция в данной точке воздушного зазора, i – ток в проводнике. Пусть каждая сторона рамки содержит число параллельных ветвей обмотки 2а. Тогда,если через щетки машины протекает ток Iя, называемый током якоря, то через каждый проводник обмотки якоря протекает ток:

Совокупность сил действующих на все N проводников рамки приводит к возникновению результирующего электромагнитного момента машины:

.

Пусть, у рассматриваемого ДПТ имеется 2р полюсов (в большинстве случаев в микромашинах 2р = 2 , т. е. число пар полюсов р = 1 ). Расстояние по окружности якоря между серединами смежных полюсов называется полюсным делениемt . Очевидно, что

Где d – диаметр рамки.

Т.к. произведение l*r есть площадь, которую пронизывает полезный магнитный поток полюса Ф , то величина этого потока может быть определена как Ф=В ср * l* r.

После подстановки получим:

или ,

где это - электромагнитная конструктивная постоянная машины.

Таким образом, электромагнитный момент, развиваемый ДПТ пропорционален магнитному потоку Ф и току якоря машины I я. При вращении ротора (якоря) должно выполняться условие равенства моментов:

М=М н +М п +М д,

где М н – момент полезной нагрузки, М п – момент потерь и

- динамический момент. Динамический момент равен нулю в статике, больше нуля при разгоне двигателя и меньше при торможении.

6.2.3. Электродвижущая сила ДПТ

При вращении ротора ДПТ в каждом активном проводнике обмотки якоря, пересекающем нормальные к его поверхности силовые линии магнитного поля полюсов наводятся ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки; величина ЭДС определяется выражением

где l длина активного проводника, B - индукция в данной точке воздушного зазора, v - линейная скорость перемещения проводника относительно линий нормальной к поверхности ротора индукции. При этом при вращении ротора ЭДС в каждом проводнике является периодической переменной во времени величиной.

ЭДС якоря машины равна алгебраической сумме ЭДС проводников, образующих одну параллельную ветвь машины. Каждая параллельная ветвь представляет собой группу последовательно соединённых секций, ток в которых имеет одинаковое направление. Для простой петлевой обмотки число параллельных ветвей 2а всегда равно числу полюсов 2р .

Таким образом, для двухполюсной машины обмотка якоря по отношению к щёткам имеет две параллельных ветви, ЭДС в проводниках которых направлены согласно. Несмотря на то, что при вращении ротора всё новые и новые проводники будут образовывать параллельные ветви, направление ЭДС в проводниках, а также направление суммарной ЭДС параллельной ветви или ЭДС якоря Ея остаётся неизменной при неизменном направлении вращения ротора.

Поскольку число активных проводников параллельной ветви весьма велико, то, несмотря на пульсирующий характер ЭДС каждого из проводников суммарная ЭДС (E) остается практически постоянной при постоянной скорости вращения ротора. В таком случае можно воспользоваться значением средней индукции в воздушном зазоре машины Вср и найти ЭДС.

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) представляют собой механизм, преобразующий поступающую на него электрическую энергию в механическое вращение. Работа агрегата базируется на явлении электромагнитной индукции — на проводник, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера: F = B*I*L, где L — длина проводника, I — ток, протекающий по проводнику, B — индукция магнитного поля. Данная сила обуславливает возникновение крутящего момента, который может быть использован для неких практических целей.

Электродвигатели постоянного тока обладают следующими преимуществами:

• Простота и надежность конструкции.
• Практически линейные регулировочные и механические характеристики, благодаря чему обеспечивается удобство эксплуатации.
• Большая величина пускового момента.
• Компактные размеры (особенно сильно выражено у двигателей на постоянных магнитах).
• Возможность использования одного и того же механизма как в режиме двигателя, так и генератора.
• КПД при полной нагрузке, как правило, выше на 1-2 % чем у асинхронных и синхронных машин, а при неполной нагрузке преимущество может возрастать до 15 %.

Основным недостатком данных устройств является высокая цена их изготовления. Также стоит отметить необходимость регулярного обслуживания коллекторно-щеточного узла и определенное ограничение срока эксплуатации, вызванные его износом, однако на современных моделях эти недостатки практически полностью нивелированы.

Стоит отметить, что механическая характеристика, а значит, и все эксплуатационные показатели во многом зависят от схемы подключения обмотки возбуждения. Всего их четыре:

Рисунок 1. Асинхронные электродвигатели серии АИРЕ с рабочим конденсатором Способы возбуждения: а — независимое, б — параллельное, в — последовательное, г — смешанное.

Области применения ДПТ

Несмотря на то, что подавляющее большинство электрических сетей обеспечивают переменное напряжение, электродвигатели постоянного тока используются весьма и весьма широко. Собственно говоря, все промышленные приводы, где требуется точная регулировка частоты вращения, реализованы именно на базе ДПТ. Кроме того, электрические машины на постоянных магнитах благодаря своей эффективности и большой плотности мощности широко используются в оборонительной отрасли.

Впрочем, не стоит думать, что вы не сталкивались вживую с данными механизмами. Отсутствие жестких ограничений по размерам приводит к тому, что мы зачастую их не замечаем. Например, в автомобилестроении используются только электродвигатели постоянного тока, причем, несмотря на различие в мощности, на всем грузовом транспорте и спецтехнике они запитаны от 24 вольт, в то время как на легковых автомобилях их рабочее напряжение составляет 12 вольт. Получая энергию от аккумуляторной батареи или генератора, они отвечают за позиционирование сидений, управление зеркалами, поднятие и опускание стекол, а также поддержание в салоне заданной температуры.

Впрочем, электродвигатели постоянного тока могут и сами приводить в движение транспортные средства, и это далеко не только игрушечные автомобили-аттракционы с 12-вольтным аккумулятором. Для того чтобы ощутить, насколько мощными могут быть эти устройства, достаточно оказаться вблизи проходящей мимо пригородной электрички, а мягкость и точность регулировки оборотов наглядно демонстрирует плавный разгон троллейбусов.

Данные электродвигатели широко применяются как в электрическом транспорте (метро, троллейбус, трамвай, пригородные электрические железные дороги, электровозы), так и в подъемных устройствах (электрические подъемные краны).

Электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются не так часто, как двигатели переменного тока. Ниже приведем их достоинства и недостатки.

В быту двигатели постоянного тока нашли применение в детских игрушках, так как источниками для их питания служат батарейки. Используются они на транспорте: в метрополитене, трамваях и троллейбусах, автомобилях. На промышленных предприятиях электродвигатели постоянного тока применяются в приводах агрегатов, для бесперебойного электроснабжения которых используются аккумуляторные батареи.

Конструкция и обслуживание двигателя постоянного тока

Основной обмоткой двигателя постоянного тока является якорь , подключающийся к источнику питания через щеточный аппарат . Якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора (обмотками возбуждения) . Торцевые части статора закрыты щитами с подшипниками, в которых вращается вал якоря двигателя. С одной стороны на этом же валу установлен вентилятор охлаждения, прогоняющий поток воздуха через внутренние полости двигателя при его работе.

Щеточный аппарат – уязвимый элемент в конструкции двигателя. Щетки притираются к коллектору, чтобы как можно точнее повторять его форму, прижимаются к нему с постоянным усилием. В процессе работы щетки истираются, токопроводящая пыль от них оседает на неподвижных частях, ее периодически нужно удалять. Сами щетки нужно иногда перемещать в пазах, иначе они застревают в них под действием той же пыли и «зависают» над коллектором. Характеристики двигателя зависит еще и от положения щеток в пространстве в плоскости вращения якоря.

Со временем щетки изнашиваются и заменяются. Коллектор в местах контакта со щетками тоже истирается. Периодически якорь демонтируют и протачивают коллектор на токарном станке. После протачивания изоляция между ламелями коллектора срезается на некоторую глубину, так как она прочнее материала коллектора и при дальнейшей выработке будет разрушать щетки.

Схемы включения двигателя постоянного тока

Наличие обмоток возбуждения – отличительная особенность машин постоянного тока. От способов их подключения к сети зависят электрические и механические свойства электродвигателя.

Независимое возбуждение

Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.

Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.

Параллельное возбуждение

Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.

Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.

Смешанное возбуждение

При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.

Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений.