Принцип работы двигателя постоянного тока – советы электрика

Принцип действия двигателя постоянного тока

Главной конструктивной и характерной принадлежностью машины постоянного тока, служит использование для присоединения к электрической сети коммутатора, предназначенного для преобразования величин постоянного тока в переменный ток. Коммутатор является непременным элементом любой машины этого типа ввиду того, что ее якорная обмотка двигателя подразумевает наличие переменного тока.

Особенности двигателя постоянного тока

Двигательные устройства постоянного тока отличаются широкими возможностями регулирования скорости вращения и обладают способностью сохранять во всем диапазоне регулирования высокий КПД, а также имеют в наличии механические характеристики, благодаря которым двигатели могут использоваться по специальному назначению, в соответствии с необходимыми требованиями.

Принцип работы

Функционально двигатель принадлежит к классу синхронных машин обращенного типа, это объясняется тем, что статор и ротор поменяли выполнение задач. Статор выполняет функции по возбуждению магнитного поля, ротор принял задачи направленные на преобразование энергии.

Во время вращения якоря в магнитном поле, производимым статором в витках обмотки, наводится ЭДС. Направление ее движения находится по правилу правой руки.

После того, как якорь и коллектор повернутся на 180 градусов виток меняет свои стороны, на противоположное направление меняется движение ЭДС.

Коллектор, через щеточный механизм, соединен с обеими сторонами витка, в результате этого происходит снятие щетками текущего в неизменном направлении пульсирующего напряжения, это способствует наличию во внешней цепи, идущего в постоянном направлении, пульсирующего тока. Для того, чтобы снизить пульсацию в пазах якоря, прибавляют добавочное количество витков.

Конструкция двигателя

Двигатель, как и любая другая машина этого типа, содержит в своей конструкции статор, являющегося неподвижным элементом, и ротор (якорь) – вращающийся элемент машины, между ними находится воздушный зазор. В якоре двигателя происходит индуцирование ЭДС. Создание основного магнитного поля происходит при помощи главных полюсов, состоящих из сердечников и катушек возбуждения.

Равномерное распределение полученной магнитной индукции в области воздушного зазора обеспечивается полюсными наконечниками.

Чередование полярности полюсов во время движения электрического тока достигается за счет соединения катушек главных полюсов в обмотку возбуждения. Для улучшения коммутации предусмотрены добавочные полюса.

Уменьшение вихревых токов, которые появляются в результате перемагничивания якоря в процессе его вращения в созданном магнитном поле, происходит за счет конструкции сердечника, исполненного из пластин электротехнической стали, для большего эффекта он покрывается специальным лаком.

Контакт внешней цепи машины с коллектором осуществляется за счет щеток, основным материалом для них является графит.

Область применения

Несмотря на то, что себестоимость этого типа двигателя намного дороже асинхронных машин, их особенности могут сыграть решающую роль в узкоцелевом специальном назначении.

С помощью таких двигателей приводятся в работу прокатные станы, они используются для привода гребного винта на кораблях, а также для транспортных средств, имеющих систему питания на постоянном токе.

Поэтому их область использования характерна для нужд там, где необходима электрическая тяга, это: тепловозы, электровозы, электропоезда, городской транспорт, то есть там, где необходимо применить мягкие механические характеристики и широкие пределы регулировки количества оборотов вращения.

Источник: http://podvi.ru/elektrodvigatel/podrobnoe-opisanie-principa-dejstviya-dvigatelya-postoyannogo-toka.html

Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока.

В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование.

Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока.

В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера.

Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения.

Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться.

Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками.

На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему.

В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять.

Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор.

После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах.

Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения.

При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя.

Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора.

В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Преимущества электродвигателей постоянного тока

• Небольшие габаритные размеры.
• Легкое управление.
• Простая конструкция.
• Возможность применения в качестве генераторов тока.
• Быстрый запуск, особенно характерный для моторов с последовательной схемой возбуждения.
• Возможность плавной регулировки скорости вращения вала.

Недостатки

• Для подключения и эксплуатации необходимо приобретать специальный блок питания постоянного тока.
• Высокая стоимость.
• Наличие расходных элементов в виде медно-графитных быстроизнашивающихся щеток, изнашивающегося коллектора, что значительно снижает срок эксплуатации, и требует периодического технического обслуживания.

Сфера использования

Широко популярными двигатели постоянного тока стали в электрическом транспорте. Такие двигатели обычно входят в конструкции:

• Электромобилей.
• Электровозов.
• Трамваев.
• Электричек.
• Троллейбусов.
• Подъемно-транспортных механизмов.
• Детских игрушек.
• Промышленного оборудования с необходимостью управлением скорости вращения в большом диапазоне.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/elektrodvigateli-postoiannogo-toka/

Электродвигатель постоянного тока: устройство и принцип работы. Основные особенности использования и маркировка

Технический прогресс требует нестандартных подходов и решений. Как выяснилось впоследствии, асинхронные трехфазные двигатели совсем не подходят к конструктивным особенностям электротранспорта, где нужно плавно регулировать скорость его движения, дать ему определенную маневренность и независимость. Так появились электродвигатели, работающие на постоянном токе.

Способность регулировать скорость вращения вала — важное преимущество их над асинхронными. С другой стороны, высокая цена не сделала их столь популярными и легкодоступными.

Чтобы понять, как работает двигатель постоянного тока, вспомним физику. В частности, закон Ампера: рамка, изготовленная из проволоки, помещенная в поле магнита, начинает вращаться при подаче на нее напряжения. Сложного фактически ничего нет, не считая самой конструкции.

Конструкция

Устройство двигателя постоянного тока подобно синхронному.Различие незначительные. Принцип работы — тот же. Разновидность подводимого тока — единственное их отличие.

Конструктивно выделяются следующие элементы:

• Корпус;
• Якорь, жестко насаженный на вал;
• Сердечник и обмотки полюсов (магниты);
• Статор;
• Вентилятор;
• Медно-графитные щетки;
• Кольца коллектора, к которым подсоединены концы обмоток якоря;
• Подшипники;
• Торцевые крышки.

Рассматривая фото электродвигателя постоянного тока, можно убедиться, что внешне и начинкой он ничем не отличается от синхронного.

Якорь – главный элемент. При подаче на него напряжения через щетки и коллектор, он начинает вращаться в магнитном поле статора. Как простая рамка, эксперименты с которой описываются в учебниках по физике, только конструкция намного сложнее и более совершенная.

Статор жестко соединен с корпусом электродвигателя, имеет обмотки возбуждения или магниты, между полюсами которых вращается якорь на подшипниках, помещенных с торцов в пазы крышек.

В передней части вала имеется паз под шпонку для крепления шестерни или шкива (механической части). В задней – вентилятор для охлаждения работающих элементов – якоря и статора.

Важно своевременно очищать поверхность колец коллектора от пыли, следить за степенью износа щеток, степени их прилегаемости и исправности.

Классификация

В зависимости от характера воздействия на обмотки электродвигатели постоянного тока подразделяются на следующие типы:

• С независимым возбуждением. Скорость вращения регулируется реостатом, включенным в цепь обмоток. Запрещены к выпуску, если слишком малая или незначительная рабочая механическая нагрузка, так как иначе возникают слишком высокие токи в обмотках якоря.;
• С последовательным. Якорь подключается последовательно с обмоткой возбуждения к одному источнику питания.
• С параллельным. Якорь и обмотки статора имеют общий источник, но подключены независимо друг от друга. Параллельно. Скорость вращения регулируется реостатом, помещенным в цепи якоря;
• Со смешанным. Каждый полюс имеет по 2 обмотки. Соединяются в рабочую схему вычитанием или суммированием потоков. Изменяя полярность одной из обмоток, можно заставить вал изменить направление вращения.

От того, как подключен электродвигатель постоянного тока, зависят его механически и электротехнические свойства.

Плюсы — минусы

Любому электрооборудованию присущи свои особенности, которые нужно учитывать в процессе эксплуатации, чтобы оно прослужило дольше.

Двигатели постоянного тока имеют свои неоспоримые достоинства:

• Имеют небольшие габариты;
• Отсутствуют сложности управления;
• Простое строение и конструктивные особенности, поддающиеся ремонту и техническому обслуживанию;
• Можно использовать для генерирования тока;
• Быстро запускаются;
• Плавная регулировка оборотов вала (ускорение и замедление с помощью реостата).

Наряду с существенными достоинствами, имеется ряд недостатков:

• Нужен специальный питающий блок, выравнивающий переменное напряжение;
• Высокая ценовая стоимость;
• Периодическая перезарядка аккумуляторов. Когда они сели, запуск двигателя невозможен;
• Рабочая зона ограничена радиусом взаимодействия с источником питания (троллейбус, трамвай), и когда он отсутствует либо поврежден, работа механизмов устройства невозможна;
• Требует периодического техобслуживания (замены быстроизнашивающихся колец коллектора и графитно-медных щеток).

Применение

В основном это – транспорт, работающий на электрическом токе и устройства, в которых необходимо тщательное управление скоростью вращения.

Обычно такие двигатели можно встретить в конструкции:

• Троллейбусов;
• Электромобилей в парке аттракционов;
• Трамваев:
• Транспортно-подъемных устройствах;
• Шахтных электровозов.

А также – в детских игрушках, работающих на пальчиковых батарейках – машинках, танчиках, самолетах, вертолетах и прочем.

Единственное слабое звено – это щетки и кольца коллектора, которые быстро изнашиваются и требуют периодической замены.

Несмотря на это, весь электротранспорт в крупных городах снабжен различными видами двигателями постоянного тока, а не асинхронными, что подчеркивает их громадную роль в жизни современного общества и страны в целом.

Фото электродвигателя постоянного тока

Источник: http://electrikmaster.ru/elektrodvigatel-postoyannogo-toka/

Принцип действия двигателя постоянного тока – варианты конструкций

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

Конструкция двигателя

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

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

Основные конструктивные элементы ДПТ:

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

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

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

Устройство двигателя постоянного тока

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

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

Преимущества эксплуатации и недостатки конструкции

Основные достоинства двигателей с постоянными токовыми величинами представлены:

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

Принцип устройства электродвигателя постоянного тока

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

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

Принцип действия двигателя постоянного тока

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

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

Принцип действия электродвигателя

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

Конструкция с независимым или параллельным возбуждением

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

Скоростные параметры двигателя регулируются в таком случае посредством:

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

Принципиальные схемы включения двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

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

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

Конструкция с последовательным возбуждением

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

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

Двигатель последовательного возбуждения

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

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

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

Конструкция со смешанным возбуждением

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

Обмоточные элементы подключаются двояко:

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

Варианты двигателей

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

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

Область применения

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

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

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

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

Видео на тему

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

Электродвигатель постоянного тока

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

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

Содержание:

Электродвигатель постоянного и переменного тока

История изобретения

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

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

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

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

1. После подачи питания вокруг якоря-ротора создавалось электромагнитное поле, чьи полюса располагались напротив друг друга по правилу буравчика и отклонялись от одноименных полюсов индуктора.
2. Перед тем, как электромагнитное поле якоря устанавливалось на максимальном приближении к разноименным полюсам индуктора, специальный коммутатор отключал питание, и якорь продолжал вращаться по инерции.
3. После того, как якорь выходил из-под полюсов индуктора, коммутатор включал питание с обратной полярностью и появившееся «перевернутое» электромагнитное поле отталкивалось от полюсов индуктора, делая полный оборот якоря.1-4 — металлические кольца, 5 — скользящий контакт, 6 — батарея

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

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

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

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

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

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

Устройство и принцип работы

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

Основной принцип

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

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

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

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

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

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

Проблема слабых пусковых токов рассматривается ниже в отдельном разделе.

Конструкция

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

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

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

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

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

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

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

Детали электродвигателя постоянного тока

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

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

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

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

Пусковые токи

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

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

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

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

Поэтому такое решение можно назвать скорее рискованной полумерой.

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

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

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

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

Схемы подключения

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

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

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

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

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

Регулировка скорости вращения

Способ регулирования оборотов ДПТ зависит от схемы его подключения:

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

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

Реверсирование

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

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

Сфера применения

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

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

В промышленных целях ДПТ применяются на прокатных станах.

Основная же сфера применения ДПТ – электрический транспорт.

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

Самый простой щёточно-коллекторный узел

Достоинства и недостатки

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

Основные достоинства:

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

Главные недостатки:

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

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

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

Методы запуска электродвигателя постоянного тока – схемы

Запуск электродвигателя постоянного тока отчасти отличается от запуска других видов электродвигателей.

Разница заключается в том, что, в отличие от других типов двигателей, электродвигатель постоянного тока имеет очень большое значение пускового тока, которое, если его заранее не ограничить, потенциально может привести к повреждению внутренней цепи обмотки якоря электродвигателя.

Ограничение пускового тока можно осуществить с помощью стартера. Таким образом, отличительной чертой методов запуска электродвигателя постоянного тока является тот факт, что стартер может поспособствовать ограничению его пускового тока.

Это соединённый последовательно к обмотке якоря прибор с переменным сопротивлением, который, учитывая аспект обеспечения безопасности электродвигателя постоянного тока, может быть использован целью ограничения его пускового тока до желаемого оптимального уровня.

Теперь вопрос звучит непосредственно: почему у электродвигателя постоянного тока такое большое значение пускового тока?

E = Eb + Ia Ra,

где Е – напряжение питания, Ia – ток в обмотке якоря электродвигателя, а Ra – сопротивление якорной обмотки. Eb – противоэдс.

Теперь значение противоэлектродвижущей силы электродвигателя постоянного тока очень похоже на значение электродвижной силы генератора постоянного тока, сгенерированной вращательным движением токонесущего якорного проводника при наличии тока возбуждения.

Противоэлектродвижущая сила электродвигателя постоянного тока задается следующим уравнением:

Eb = (P*∅*Z*N)/60A

и она играет основную роль при запуске электродвигателя постоянного тока.

E = 0 + Ia*Ra

Следовательно, Ia = Е/Ra

При всех практических попыток достижения оптимального режима работы двигателя, показатель сопротивления якорной обмотки сохраняется очень маленьким, порядка 0.5 Ω, а абсолютный минимум напряжения питания составляет 200 вольт. Даже при таких условиях пусковой ток (Ia) может достичь вплоть до 220/0.5 А = 440 А.

Такой большой показатель пускового тока электродвигателя постоянного тока создает две основные проблемы:

1. ток в порядке 440 ампер потенциально может привести к повреждению внутренней цепи обмотки якоря электродвигателя при самом начале его запуска;
2. согласно уравнению для вращающегося момента электродвигателя постоянного тока, где

Следовательно, Ia = Е/Ra ,

очень большое значение электромагнитного пускового тока электродвигателя создается посредством большого пускового тока, который потенциально может выработать большую центробежную силу, из-за которой роторная обмотка двигателя может легко слететь из пазов.

Схема метода запуска двигателя постоянного тока

Методы запуска электродвигателя постоянного тока

Прямым следствием двух вышеупомянутых фактов (большой пусковой ток и большой пусковой вращающий момент электродвигателя пускового тока) может быть то, что, вся двигательная система подвергнется тотальной неупорядоченности, что в свою очередь приведёт к инженерному разгрому и нефункциональности.

Чтобы не допустить такой инцидент, было придумано несколько методов запуска электродвигателя постоянного тока. Главным принципом здесь является добавление к якорной обмотки двигателя сопротивления по внешней цепи (Rext), с целью увеличения сопротивления по переменному току (Ra + Rext), чтобы ограничить ток в обмотке якоря к предельно допустимому значению.

Новое значение пускового тока в обмотке якоря стало желательно низким, выходя из следующего уравнения:

Следовательно, Ia = Е/(Ra+Rext) ,

Теперь, когда двигатель продолжает работать и увеличивать скорость, то противоэлектродвижущая сила тоже последовательно развивается и увеличивается, оказывая противодействие напряжению питания, в итоге снижая рабочее напряжение в сети. Таким образом, получается следующее уравнение:

Следовательно, Ia = (Е – Eb)/(Ra+Rext) ,

Теперь, чтобы удержать предельно допустимое значение тока обмотки якоря, нужно постепенно уменьшать показатель Rext , пока он не дойдет до нуля, и все это при максимальной противоэлектродвижущей силе. При запуске электродвигателя постоянного тока, стартер способствует регулированию сопротивления по внешней цепи.

Стартеры бывают разных видов и принцип их работы очень сложен, и нуждается в объяснении. Вкратце, основные виды стартеров, используемые в промышленности, можно изобразить следующим образом:

1. стартер с 3 зажимами;
2. стартер с 4 зажимами (используется для запуска электродвигателя шунтового возбуждения и двигателя постоянного тока смешанного возбуждения);
3. стартер двигателя постоянного тока серийного возбуждения без катушки сброса нагрузки.

Схема: стартер с 3 зажимами (L, F, A)Схема: стартер с 4 зажимами (L, N, F, A)

Все они играют очень важную роль при ограничении пускового тока электродвигателя, чтобы обеспечить надежный запуск и эксплуатацию самого двигателя.

Источник: https://www.asutpp.ru/metody-zapuska-elektrodvigatelya-postoyannogo-toka.html

Как устроен и как работает двигатель постоянного тока (ДПТ)

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.

Физические начала ДПТ

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Такие двигатели часто применяются для работы электрических строительных и бытовых. Они обладают тем же преимуществами и недостатками, что и коллекторные ДПТ. Но добавлено по одному плюсу и минусу. В защиту – мотор можно использовать при питании от постоянного и переменного электрического источника (простые коллекторные только от постоянного). В минус – КПД ниже.

Сегодня на практике используется большое многообразие электродвигателей постоянного тока. Их устройство может незначительно отличаться друг от друга. Но чего у ДПТ не отнять, так это то, что они всегда работают на взаимодействии двух магнитных полей: ротора и статора. А благодаря возможности изменения конструкции такие моторы можно приспособить практически для любых нужд.

Источник: http://ElectricDoma.ru/kak-eto-ustroeno/kak-rabotaet-dvigatel-postoyannogo-toka/