Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока: Устройство и принцип работы электродвигателя

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА — Студопедия

Назначение. Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники Электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

Принципиальная возможность создания электродвигателя постоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г.; в созданном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.

Двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением был создан в России акад. Б. С. Якоби в 1834 г., который назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для привода гребного винта речного катера. Принцип обратимости электрических машин был также впервые сформулирован русским физиком акад. Э. X. Ленцем. В дальнейшем ряд коллекторных машин постоянного тока был созданГ. Феррарисом, В. Сименсом и др. Значительное развитие теория электрических машин постоянного тока получила в трудах Д. А. Лачинова. В 1880 г. он опубликовал труд «Электромеханическая работа», в котором рассмотрел вопросы, создания вращающего момента электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.

В XX столетии продолжалось развитие теории и совершенствование конструкции машин постоянного тока. Большое внимание обращалось на повышение надежности этих машин путем устранения причин, вызывающих возникновения искрения под щетками (улучшения коммутации) и образования кругового огня на коллекторе.

Важное значение в решении всех теоретических и практических вопросов работы машин постоянного тока имели в трудах советских ученых: А. Е. Алексеева, Д. А. Завалишина, Г. А. Люста, А. Б. Иоффе, В. Т. Касьянова, М. П. Костенко, В. С. Кулебакина, С. И. Курбатова, Л. М. Пиотровского, Е. М. Синельникова, В. А. Толвинского, К. И. Шенфера, венгер-ского электротехника О. В. Бенедикта и др.

В настоящее время в рамках Интерэлектро разработана серия электродвигателей постоянного тока типа ПИ мощностью от 0,25 до 750 кВт, которая выпускается электропромышленностью всех стран — членов СЭВ. Эти двигатели Предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Кроме того, электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.

Принцип действия. Машина постоянного тока (рис. 8.1, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток I_в , который создает магнитное поле возбуждения Ф_в . На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.

При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер, отображающий направление ЭДС на рис. 8.1, а, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, ЭДС направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 8.1,б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.

При подключении к щеткам сопротивления нагрузки R_н через обмотку якоря проходит постоянный ток I_а, направление которого определяется направлением ЭДС Е. В обмотке якоря ток I_а разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи i_a ).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было вначале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

принцип работы и широкие возможности применения / Статьи и обзоры / Элек.ру

Среди изготовителей электродвигателей постоянного тока (ДПТ) особое место занимает компания YALU, одна из лидеров в своей сфере. ДПТ — незаменимая запасная часть для электрического транспорта и промышленных приводов, требующих точной регулировки частоты вращения. Сегодня на рынке представлен широкий выбор ДПТ с разнообразными характеристиками, позволяющими подобрать агрегат вне зависимости от поставленных задач.

В чём плюсы электродвигателей YALU

Основная функция электродвигателей постоянного тока — преобразование электрической энергии постоянного тока в механическое непрерывное угловое вращение. В отличие от двигателей переменного тока они обладают возможностью регулировки частоты оборотов в большом диапазоне.

В основе работы ДПТ лежит явление электромагнитной индукции, когда на проводник в магнитном поле действует сила Ампера, вызывающая возникновение крутящего момента, который определяется током, проходящим через обмотки двигателя. Этот момент и используют в практических целях для вращения насосов, вентиляторов, колёс, компрессоров и пр.

Основными деталями ДПТ выступают статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть). Скорость вращения определяется приложенным напряжением постоянного тока. Она может варьироваться от нескольких до тысячи оборотов в минуту. Это расширяет возможности применения ДПТ, которые можно использовать в робототехнике, электронике, автомобилестроении.

Набор для «электрификации» велотранспорта

Электродвигатели YALU обладают всеми преимуществами, которые свойственны ДПТ.

К плюсам агрегатов относятся:

• компактные размеры, особенно у двигателей на постоянных магнитах;
• быстрый запуск за счёт большой величины пускового момента;
• простая эксплуатация, связанная с практически линейными регулировочными и механическими характеристиками;
• плавная регулировка скорости вращения вала;
• возможность применения не только в качестве двигателя, но и как генератора тока.

Важной характеристикой ДПТ выступает мощность, от которой зависит КПД агрегата. Для слабых двигателей КПД составляет около 40 %, а для более мощных (1 МВт) может достигать 96 %.

Сферы применения электродвигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока — наиболее часто используемые приводы для создания непрерывного движения с регулируемой скоростью вращения. Они могут приводить в движение транспортные средства: от игрушечных автомобилей-аттракционов с аккумулятором 12 В до электричек и троллейбусов, где точность регулировки оборотов наглядно демонстрируется плавным разгоном техники. Агрегаты на постоянных магнитах имеют особенно большую плотность мощности, поэтому часто используются в оборонительной отрасли.

Электрический транспорт — одна из самых распространённых сфер применения ДПТ. На них основана работа:

• метро,
• трамваев,
• троллейбусов,
• электровозов,
• пригородных электрических дорог.

Другую сферу применения ДПТ составляют подъёмные механизмы, включая электрические подъёмные краны. Ввиду отсутствия жёстких ограничений по размерам электродвигатели часто остаются незамеченными. Их используют в автомобилестроении: на грузовом транспорте устанавливаются агрегаты с рабочим напряжением от 24 В, а на легковом — 12 В. Здесь ДПТ работают от генератора или АКБ и отвечают за разные функции:

• поднятие-опускание стёкол;
• поддержание в салоне заданной температуры;
• позиционирование сидений;
• управление зеркалами и пр.

Использование электродвигателя на постоянном токе для автоматизированной очистки стёкол

Для применения ДПТ в качестве генератора тока необходимо поменять полярность питания постоянного тока, подаваемого на соединения агрегата. Т. е., нужно изменить направление тока в якоре или обмотке возбуждения. В результате вал будет вращаться в противоположном направлении. Самым простым и недорогим способом управления вращением вала остаются переключатели.

При использовании ДПТ учитывается одна из важнейших характеристик — способ подключения обмотки возбуждения:

• независимый,
• параллельный,
• последовательный,
• смешанный.

В ДПТ с последовательной схемой возбуждения при необходимости можно уменьшить скорость вращения в 2 раза. За это отвечает переменный резистор, который при необходимости включают в цепь возбуждающей обмотки реостата. В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление.

В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление

Широкие возможности с электродвигателями постоянного тока

Ввиду разнообразия ассортимента сегодня возможны стабильные поставки электродвигателей постоянного тока YALU для самодвижущейся техники, электротранспорта и других видов техники и промышленного оборудования. В зависимости от задач можно подобрать один мотор или все комплектующие, необходимые для проекта.

Среди ДПТ представлены агрегаты, рассчитанные на напряжение от 12 до 48 В и силу тока до 39 А. Если вам необходима консультация по поводу выбора, обратитесь к представителям «ВКС» через онлайн-форму или свяжитесь по телефону.

Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е₁ – е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет  ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов  создает момент М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие  и  Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

Двигатели постоянного тока

| Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Электродвигатели, работающие на электромагнетизме. Однако существуют и другие типы двигателей, в которых используются электростатические силы или пьезоэлектрический эффект. В случае двигателя PMDC (постоянного магнита постоянного тока) движение создается электромагнитом (якорем), взаимодействующим с магнитом с фиксированным полем (корпус в сборе).

В щеточном двигателе электрический ток протекает через клеммы двигателя в узле торцевой крышки, который входит в контакт с коммутатором в узле якоря через угольные щетки или щеточные листы.Электрический ток питает катушки, создавая магнитное поле, заставляющее якорь вращаться, когда он взаимодействует с магнитами, заключенными в корпус в сборе. Правило левой руки Флемминга помогает определить направление силы, тока и магнитного потока.

В бесщеточном двигателе, когда электричество подается на вывод двигателя, ток проходит через фиксированное поле статора и взаимодействует с движущимся постоянным магнитом или движущимся индуцированным магнитным полем внутри ротора / якоря.После того, как движение и силовая нагрузка будут удовлетворены доступным источником тока, он возвращается обратно к источнику, выходящему из двигателя.

Ключевые элементы, взаимодействующие для создания движения

Магнитный поток — Двигатель может иметь катушку с фиксированной обмоткой или статор с постоянным магнитом и якорь с подвижной обмоткой или ротор с постоянными магнитами, которые будут иметь взаимодействующие поля магнитного потока для создания силы и движения.

Сила — величина тока, протекающего через электромагнитное поле, пропорциональна величине силы взаимодействующего электромагнитного поля, необходимой для достижения противоположной рабочей нагрузки.Помимо силы и движения, необходимых для устройства, необходимо учитывать любую потерю эффективности при преобразовании электроэнергии в механическую работу (ватты).

Обзор шагового двигателя

Что такое шаговый двигатель

Шаговые двигатели работают иначе, чем другие двигатели постоянного тока, которые просто вращаются при подаче напряжения. Вращательный шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое может разделить один полный оборот (360 °) на большое количество шагов вращения. Шаговые двигатели управляются электронно и не требуют дорогостоящих устройств обратной связи.Линейный шаговый двигатель похож на вращательный двигатель, за исключением того, что вал движется линейно или продольно. Оба типа имеют две схемы обмотки электромагнитных катушек: униполярную и биполярную. Униполярный означает, что каждый конец катушки имеет одну полярность. Рекомендуемый стабилитрон используется для обеспечения быстрого спада тока в отключенной катушке. Это приведет к увеличению крутящего момента двигателя, особенно на более высоких частотах.

Биполярный означает, что каждый конец катушки имеет обе полярности.Катушка будет положительной и отрицательной во время каждого цикла движения. Поскольку каждая катушка используется полностью, двигатель имеет более высокий крутящий момент по сравнению с униполярной катушкой. Биполярный драйвер может включать в себя возможность управления постоянным током, называемую приводом прерывателя. Это обеспечит увеличенный выходной крутящий момент на более высоких частотах и ​​снизит влияние колебаний температуры и напряжения питания.

Основы шагового двигателя

Шаговый двигатель PM или «консервная банка» — недорогое решение для ваших приложений позиционирования с типичным углом шага 7.5 ° — 15 °. Меньшие углы шага могут быть получены с помощью Microstepping. Вал двигателя перемещается с определенным шагом при подаче электрических управляющих импульсов. Текущая полярность и частота подаваемых импульсов определяют направление и скорость движения вала.

Одним из наиболее значительных преимуществ шагового двигателя является его способность точно регулироваться в системе без обратной связи. Управление разомкнутым контуром означает, что обратная связь о положении вала не требуется.Этот тип управления устраняет необходимость в дорогостоящих устройствах обратной связи, просто отслеживая входные ступенчатые импульсы. Шаговый двигатель — хороший выбор, когда требуется контролируемое движение. Они рекомендуются в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизм. Возможности фиксации, удержания, втягивания и извлечения крутящего момента, скорости (об / мин) и шагов на оборот (угол шага) характеризуют шаговый двигатель.

Момент фиксации — определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен к обесточенному двигателю, не вызывая вращения двигателя.

Удерживающий момент — определяет максимальный крутящий момент, с которым двигатель, находящийся под напряжением, может быть нагружен, не вызывая вращательного движения.

Pull-In — производительность определяет способность двигателя запускаться или останавливаться. Это максимальная частота, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно с приложенной нагрузкой без потери синхронизации.

Pull-Out определяет максимальный крутящий момент при применении рампы ускорения / замедления без потери шагов.Он определяет максимальную частоту, на которой двигатель может работать без потери синхронизма.

Наш шаговый двигатель можно комбинировать с полной линейкой редукторов для увеличения крутящего момента и снижения скорости.

.

Принципы работы электродвигателей постоянного тока

.