Принцип работы разных видов двигателей 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.

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

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 2019 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.

В двигателях большой мощности физически существующих магнитов не используют из-за их большого веса. Для создания постоянного магнитного поля статора используется несколько металлических стержней, каждый из которых имеет собственную обмотку из проводника, подключенного к плюсовой или минусовой питающей шине. Одноименные полюса включаются последовательно друг другу.

Количество пар полюсов на корпусе двигателя может быть равно одной или четырем. Число токосъемных щеток на коллекторе якоря должно ему соответствовать.

Электродвигатели большой мощности имеют ряд конструктивных хитростей. Например, после запуска двигателя и с изменением нагрузки на него, узел токосъемных щеток сдвигается на определенный угол против вращения вала. Так компенсируется эффект «реакции якоря», ведущий к торможению вала и снижению эффективности электрической машины.

Также существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

  • с параллельным возбуждением;
  • последовательным;
  • смешанным.

Параллельное возбуждение – это когда параллельно обмотке якоря включается еще одна независимая, обычно регулируемая (реостат).

Такой способ подключения позволяет очень плавно регулировать скорость вращения и достигать ее максимальной стабильности. Его используют для питания электродвигателей станков и кранового оборудования.

Последовательная – в цепь питания якоря дополнительная обмотка включена последовательно. Такой тип подключения используется для того, чтобы в нужный момент резко нарастить вращающее усилие двигателя. Например, при трогании с места железнодорожных составов.

Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании.

Двигатели переменного тока — в чем отличие?

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока для создания крутящего момента предусматривают использование вращающегося магнитного поля. Их изобретателем считается русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, создавший в 2019 году первый промышленный образец двигателя и являющийся основоположником теории и техники трехфазного переменного тока.

Вращающееся магнитное поле возникает в трех обмотках статора двигателя сразу, как только они подключаются к цепи питающего напряжения. Ротор такого электромотора в традиционном исполнении не имеет никаких обмоток и представляет собой, грубо говоря, кусок железа, чем-то напоминающий беличье колесо.

Магнитное поле статора провоцирует возникновение в роторе тока, причем очень большого, ведь это короткозамкнутая конструкция. Этот ток вызывает возникновение собственного поля якоря, которое «сцепляется» с вихревым магнитным потом статора и заставляет вращаться вал двигателя в том же направлении.

Магнитное поле якоря имеет ту же скорость, что и статора, но отстает от него по фазе примерно на 8–100. Именно поэтому двигатели переменного тока называются асинхронными.

Принцип действия электродвигателя переменного тока с традиционным, короткозамкнутым ротором, имеет очень большие пусковые токи. Вероятно, многие из вас это замечали – при пуске двигателей лампы накаливания меняют яркость свечения. Поэтому в электрических машинах большой мощности применяется фазный ротор – на нем уложены три обмотки, соединенные «звездой».

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 используется конденсатор.

Запитать от бытовой розетки можно и промышленный трехфазный двигатель. Для этого в его клеммной коробке две обмотки соединяются в одну, и в эту цепь включается конденсатор. Исходя из принципа работы асинхронных электродвигателей, запитанных от однофазной цепи, следует указать, что они имеют меньший КПД и очень чувствительны к перегрузкам.

Электродвигатели этого типа легко запускаются, но частоту их вращения практически невозможно регулировать.

Они чувствительны к перепадам напряжения, а при «недогрузе» снижают коэффициент полезного действия, становясь источником непропорционально больших затрат электроэнергии. При этом существуют методы использования

асинхронного двигателя как генератор

.

Универсальные коллекторные двигатели — принцип работы и характеристики

В бытовых электроинструментах малой мощности, от которых требуются малые пусковые токи, большой вращающий момент, высокая частота вращения и возможность ее плавной регулировки, используются так называемые универсальные коллекторные двигатели. По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением.

В таких двигателях магнитное поле статора создается за счет питающего напряжения. Только немного изменена конструкция магнитопроводов – она не литая, а наборная, что позволяет уменьшать перемагничивание и нагрев токами Фуко. Последовательно включенная в цепь якоря индуктивность дает возможность менять направление магнитного поля статора и якоря в одном направлении и в той же фазе.

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 трансформатор, 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

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. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

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.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. 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:
  • Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение
  • Асинхронные электродвигатели. Устройство и принцип действия. Классификации
  • Синхронные электродвигатели. Принцип работы и особенности. Применение
  • Магнитные двигатели. Разновидности и особенности
  • Виды электродвигателей

Принцип
работы двигателя постоянного тока
основан на использовании явления
электромагнитного взаимодействия
(правило левой руки).

Для
запуска двигателя постоянного тока обе
его обмотки – обмотка возбуждения (ОВ)
и обмотка якоря (ОЯ) с помощью рубильника,
пускателя или другой пусковой аппаратуры
включается в питающую сеть постоянного
тока на номинальное напряжение U = U ном
.

Протекающий
по обмотке возбуждения ток возбуждения
I В создаёт в статоре магнитный поток
возбуждения Ф В , пронизывающий обмотку
якоря.

Протекающий
по обмотке якоря ток якоря I Я взаимодействует
с магнитным потоком возбуждения статора
Ф В , в результате чего возникают
электромагнитные силы F, действующие
на проводники якоря и создающие вращающий
электромагнитный момент

М
= cM Ф В I Я .

NB.
cM — константа момента, определяемая
конструкцией электродвигателя.

Под
действием вращающего электромагнитного
момента М якорь двигателя приходит во
вращение и по окончании разгона ротор
вращается с частотой

n
= ( U – R Я I Я ) / сЕ Ф В .

NB.
сЕ — константа ЭДС, определяемая
конструкцией электродвигателя;


IЯ — падение напряжения в обмотке якоря.

При
вращении ротора двигателя проводники
обмотки якоря пересекают магнитные
силовые линии потока возбуждения статора
Ф В в результате чего в обмотке якоря
наводится ЭДС (правило правой руки)

Е
= сЕ Ф В n .

Наведённая
в обмотке якоря ЭДС E направлена против
приложенного к якорю напряжения
(противо-ЭДС) и работа двигателя
описывается уравнением электрического
равновесия

U
= E + RЯ IЯ .

При
этом ток, потребляемый якорем двигателя
из сети, или рабочий ток двигателя
определяется уравнением


= (U — E)/ RЯ

Электрическая
схема двигателя постоянного тока с
параллельным возбуждением (РМ — рабочая
машина)

30.
Основные характеристики электродвигателей
постоянного тока. Способы пуска и
регулирования частоты вращения.
Реверсирование и способы электрического
торможения электродвигателей постоянного
тока.

Основные
характеристики двигателя постоянного
тока с параллельным возбуждением

Свойства
двигателей постоянного тока в основном
определяются способом питания обмотки
возбуждения. В связи с этим различают
двигатели с независимым, параллельным,
последовательным и смешанным возбуждением.
В настоящее время в промышленности
наиболее широкое применение получили
двигатели с параллельным возбуждением.

В
двигателе с параллельным возбуждением
обмотка возбуждения подключена к
питающей сети параллельно с обмоткой
якоря. В цепь обмотки возбуждения
последовательно включается регулировочный
реостат RРР, а в цепь якоря — пусковой
RПР или регулировочный R* реостат.
Характерной особенностью двигателя
является то, что ток возбуждения IB не
зависит от тока якоря IЯ (тока нагрузки),
т
. е. при неизменном сопротивлении в
цепи обмотки возбуждения, ток возбуждения
постоянен IB = const
.

Поэтому,
пренебрегая размагничивающим действием
реакции якоря, можно считать, что
магнитный поток двигателя не зависит
от нагрузки Ф = ФВ = const.