Двигатели постоянного тока конспект электротехника

Обновлено: 06.07.2024

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

с независимым возбуждением обмоток;
соединение параллельно обмоткам якоря;
варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками Рисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

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

Принцип работы

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

бытовые и промышленные электроинструменты;
автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
Легко регулируемая частота вращения;
хорошие пусковые характеристики;
компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

ограниченный ресурс коллектора и щёток;
дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

На этом уроке мы с вами поговорим о двигателе постоянного тока. Выясним, каково устройство и принцип действия коллекторного электродвигателя. Рассмотрим два случая подключения обмотки возбуждения к источнику тока в роторе, который состоит из электромагнита. И познакомимся с устройством настоящего рабочего электродвигателя.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Двигатели постоянного тока"

Прежде всего давайте определимся какую функцию выполняют двигатели. Они превращают электрическую энергию в механическую.

Первый электрический двигатель был создан в 1834 году русским учёным Борисом Семёновичем Якоби.

В деятельности человека находят свое применение электродвигатели самых разных конструкций. В производстве их используют для того, чтобы привести в движение станки и механизмы, трамваи, троллейбусы, электровозы и многое другое. Электродвигатели используются даже в игрушках.

Почему же все-таки именно электродвигатели, а не паровые двигатели или, например двигатели внутреннего сгорания? Основным преимуществом двигателя, работающего на электричестве, можно назвать то, что при его работе не выделяются вредные газы, дым или пар. Для их работы не нужны запасы топлива или воды. Электродвигатели легко установить в любом удобном месте: и на стене, и под полом трамвая или троллейбуса и даже в колесах лунохода.

На производстве и в быту чаще всего используют коллекторный электродвигатель. Перед вами модель простейшего коллекторного электродвигателя. Он состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора. В качестве статора выступает постоянный магнит. Ротор состоит из якоря и коллектора. Простейшим якорем может быть электромагнит, который представляет собой сердечник и обмотку. На валу якоря укреплён коллектор, который представляет собой два полукольца. Они изолированы не только друг от друга, но и от вала двигателя. Каждый вывод обмотки якоря припаивают к отдельному полукольцу. Электрический ток от батареек поступает в обмотку якоря через щётки – специальные скользящие контакты. Щётки чаще всего представляют собой две упругие металлические пластины, которые соединены проводами с источником тока и прижаты к полукольцам коллектора.

Поскольку якорь – это электромагнит, то у него должны быть южный и северный полюса.

Давайте узнаем, как они образуются.

Щётки соединяются с источником тока так, как показано на рисунке. Благодаря такому соединению электрический ток, который проходит по обмотке якоря делает одну сторону якоря северным полюсом, а вторую – южным.

По схеме видно, что северный полюс якоря располагается рядом с северным полюсом статора, а южный полюс якоря – рядом с южным полюсом статора.

Одноименные магнитные полюса отталкиваются, и якорь начинает вращаться. Вместе с якорем поворачивается и коллектор.

Северный полюс якоря при вращении притягивается к южному полюсу статора. Но еще до того как они сблизятся полукольца коллектора притягиваются друг к другу и полярность якоря опять изменяется. То есть меняется направление тока в обмотке якоря. Другими словами, коллектор в электродвигателе – это специальный переключатель, который меняет направление в обмотке якоря автоматически.

Как только полярность якоря меняется, полюса вновь отталкиваются друг от друга и вращение продолжается.

В основном в качестве постоянного магнита для создания магнитного тока используют электромагниты.

Существует два способа подключения обмотки возбуждения к источнику тока: параллельно по отношению к обмотке якоря и последовательно ей.

От того каким именно способом присоединена обмотка возбуждения зависят свойства электродвигателя.

Если подключение параллельное, то с увеличением механической нагрузки на вал число оборотов двигателя практически не меняется. Двигатели с таким видом соединения обмотки возбуждения к якорю чаще всего используются для привода станков.

При последовательном соединении с увеличением механической нагрузки на вал, число оборотов резко уменьшается. Двигатели такого рода находят свое применение на электрическом транспорте.

По сравнению с полем постоянных магнитов, электромагнитное возбуждение двигателя позволяет не только усилить магнитное поле, но и управлять его интенсивностью.

Для того, чтобы управлять интенсивностью магнитного поля нужно реостатом менять величину тока в цепи обмотки возбуждения. Этим изменяется число оборотов двигателя.

Еще один способ менять число оборотов двигателя – смена напряжения на его зажимах. Но этот способ – более дорогой. Поскольку, если через реостат проходит весь ток двигателя, то появляются дополнительные потери электроэнергии.

Понятно, что мы рассмотрели очень упрощенную модель электродвигателя. Настоящий имеет более сложное строение.

В основном вместо постоянного магнита для создания магнитного поля статора используется мощный электромагнит. Обмотка возбуждения такого двигателя одновременно выполняет роль обмотки одного из полюсов. Соединять обмотки полюсов надо так, чтобы полюсные наконечники сердечников имели разную полярность, которая будет обращена к якорю.

Посмотрите, как выглядит вращающийся ротор двигателя. Он состоит из якоря и коллектора.

Чтобы коэффициент полезного действия двигателя возрастал, нужно на сердечнике якоря разместить несколько обмоток. Это приводит к тому, что в коллектор входит не два полукольца, а много медных пластин. Они изолированы не только друг от друга, но и от вала двигателя.

Графитовые щётки накладывают на коллектор. К гладкой поверхности коллектора щётки прижимают с помощью пружин. Движение якоря по валу напрямую передается рабочим органам потребителя. Вращается вал в подшипниках, которые запрессованы в переднюю и заднюю крышки статора. Охлаждается двигатель вентилятором, крыльчатка которого располагается на валу.

Подведем итоги урока.

Сегодня мы с вами говорили о двигателе постоянного тока. Выяснили устройство и принцип действия коллекторного электродвигателя. Узнали, что у него две основные части: неподвижная часть - статор, который представляет собой магнит, создающий постоянное магнитное поле. И вращающаяся часть – ротор. Составные части ротора – якорь и коллектор. Электрический ток от источника подается на обмотку якоря через щётки.

Рассмотрели два случая подключения обмотки возбуждения к источнику тока в роторе, состоящем из электромагнита.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Конспект урока

ФИО учителя: Бекташева Э.И.

Дата: 23.01.2019

Предмет: Технология

Занятие № 19

Тема урока Двигатели постоянного тока

Тип занятия: урок открытий новых знаний.

Планируемые результаты:

Предметные: формирование представления об устройстве и принципе действия двигателей постоянного тока; самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели; использование общих приѐмов решения задач; применение и преобразование знаково-символических средств, моделей и схем для решения задач; нахождение в различных источниках информацию, необходимую для решения проблем, и предоставление еѐ в понятной форме.

Метапредметные:

Регулятивные – умение самостоятельно вносить необходимые дополнения и коррективы в учебные действия; умение осознавать способы действий, приведших к успеху или не успеху.

Познавательные – умение проанализировать ход и способ действий, умение вести поиск и выделять необходимую информацию.

Коммуникативные – умение выстраивать самостоятельную деятельность, обосновывать свое решение.

Личностные: формирование собственной точки зрения, развитие рефлексии, умение адекватно реагировать на трудности и не бояться сделать ошибку.

Оборудование: проектор; презентация; материалы для практической работы, карточки-задания.

1. Организационный момент.

Здравствуйте, ребята! Давайте улыбнемся друг другу и пожелаем хорошей работы. Какую тему мы изучали на прошлом уроке? (Бытовые электронагревательные приборы)

2. Актуализация опорных знаний.

1.На какие классы по своему назначению подразделяются э лектронагревательные приборы?

2.Какие электронагревательные приборы мы используем в повседневной жизни?

3. Как можно сэкономить электрическую энергию при использовании э лектронагревательных приборов?

4. Что нужно знать при покупке мощных электробытовых приборов?

5.Почему опасно оставлять без присмотра э лектронагревательные приборы?

6.Почему опасно школьнику работать в одиночку с элементами электрической цепи и бытовыми электроприборами?

Мы уже знакомы с различными осветительными устройствами, нагревательными приборами, которые используются в быту. Есть устройства, которые также используют электроэнергию, и установлены в автомобилях, в компьютерах и мобильных телефонах, в различных механических игрушках. Мы с вами познакомимся с теми электрическими машинами, которые заставляют механизмы двигаться.

Давайте определим тему нашего урока.

- Как вы думаете с чем мы сегодня будем знакомиться?(С двигателями постоянного тока).

- Что будем изучать? (Устройство двигателя).

Сегодня мы узнаем, как устроен коллекторный электродвигатель постоянного тока, познакомимся со схемами подключения электродвигателей.

4 .Изучение нового материала

Жизнь современного человека невозможно представить без электрических двигателей. В нефтяной и газовой промышленности электродвигатель используется как часть насосной установки, погрузочных агрегатов, в транспортном и сельском хозяйстве для использования в качестве приводов механизмов, в домашних условиях мы привыкли к таким устройствам, как миксеры, кофемолки, кухонные комбайны. Одно из отличий в том, что одни работают при постоянном токе, другие - при переменном.

а) Рассмотрим устройство и принцип действия электродвигателя.

Коллекторный электродвигатель является универсальным и может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Принцип действия электродвигателя основан на взаимодействии проводника (якоря) с электрическим током и магнитным полем, создаваемым электромагнитом (индуктором). Механическая сила, возникающая при таком взаимодействии, заставляет вращаться якорь (ротор). Направление движения проводника с током определяется по правилу левой руки. Электрический двигатель с вращающимся валом был впервые сконструирован в 1934 году русским физиком Б.С. Якоби (1801-1874). (слайд 2)

Модель коллекторного электродвигателя показана на слайде 3.

Модель коллекторного электродвигателя: 1 — коллектор; 2 — щётки; 3 — рамка

Неподвижная часть электродвигателя – статор, представляющий собой постоянный магнит, который служит для создания постоянного магнитного поля. В двигателях постоянного тока этот электромагнит назвали обмоткой возбуждения. Между полюсами магнита расположен проводник в виде рамки 3, подключенный к источнику тока с помощью специального устройства, называемого коллектором.

Какие существуют способы подключения обмотки возбуждения?

Существует два способа подключения обмотки возбуждения – параллельное и последовательное, т.е. либо параллельно якорю электродвигателя, либо последовательно с ним.

При параллельном возбуждении число оборотов мало меняется с увеличением механической нагрузки на вал. Поэтому такие двигатели применяют для привода станков

В двигателях с последовательным возбуждением число оборотов резко уменьшается с увеличением механической нагрузки на вал. Это свойство позволяет использовать такие двигатели на электрическом транспорте (слайд 5).

Электродвигатель постоянного тока: а — с параллельным возбуждением;

б — с последовательным возбуждением; 1 — коллектор; 2 — щётки; 3 — рамка (якорь); 4 — обмотка возбуждения

Электромагнитное возбуждение двигателя дает возможность управлять числом оборотов ротора. Для этого необходимо изменить реостатом величину тока в цепи обмотки возбуждения, изменяя тем самым интенсивность магнитного поля.

б) Способы изменение частоты вращения вала электродвигателя (слайд 7).

- Путём изменения величины тока возбуждения статора. Чем больше сила тока в статоре, тем выше частота вращения вала электродвигателя.

- Путём изменения напряжения питания электродвигателя.

в) Преимущества электродвигателя (слайд 8).

- Отсутствие во время работы вредных выбросов

- Не требуют постоянного обслуживания

- Можно установить в любом месте

- Работают в условиях вакуума

- Не используют легковоспламеняющиеся вещества (бензин, дизельное топливо)

5.Контроль усвоения первичных знаний.

Работа с карточками с взаимопроверкой (слайд 9).

Выполните задания по карточкам. Поменяйтесь с соседом по парте карточками.

По критериям оценивания проведите взаимопроверку (слайд 10).

Карточка №1-А Карточка № 2-А

2 верных ответа – ставим 5 баллов, 3 верных ответа – ставим 5 баллов,

1 верный ответ – 4 балла, 2 верных ответа – 4 балла.

неполные ответы на вопросы – 3 балла. 1 верный ответ – 3 балла.

6.Физминутка. Упражнения для глаз (слайд 11).

— 15 колебательных движений глазами по горизонтали справа- налево.

— 15 колебательных движений глазами по вертикали: вверх-вниз.

— 15 вращательных движений глазами слева- направо.

— 15 вращательных движений глазами справа- налево.

7.Практическая работа №13.

а) Изучение устройства двигателя постоянного тока ( слайд 12).

По плакатам и моделям изучите устройство и принцип действия коллекторного электродвигателя постоянного тока.

Определите названия и назначения входящих в двигатель основных узлов и деталей.

Подготовьте таблицу в рабочей тетради по предлагаемой форме и занесите данные в соответствующие графы .

Устройство двигателя постоянного тока (слайд 12).

Проводник тока на коллектор двигателя

Создание магнитного поля, изменение оборотов

б) Сборка простейшей схемы двигателя постоянного тока (слайд 14).

Вам потребуется: конструктор для проведения электротехнических работ, отвертка, гаечный ключ.

Начертите схему подключения двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов к источнику тока. В схеме предусмотрите использование выключателя для пуска двигателя.

После проверки разработанной схемы учителем соберите электрическую цепь и опробуйте двигатель в работе.

Измените направление вращения якоря двигателя.

Дополните разработанную схему реостатом для изменения напряжения на зажимах двигателя и вольтметром для измерения указанного напряжения.

После проверки схемы учителем соберите электрическую цепь.

Запустите двигатель и проследите, как изменение напряжения на зажимах двигателя влияет на число оборотов якоря.

Результаты наблюдений занесите в рабочую тетрадь.

Отключите источник. Разберите схему.

Приведите в порядок свое рабочее место.

8. Итог урока. Рефлексия (слайд 15).

- Что нового вы сегодня узнали?

- Что было особенно интересным и познавательным?

- В чём я сегодня стал умнее в сравнении со вчерашним днём?

9.Домашнее задание (слайд 16).

Изучить параграф 20. Ответить на вопросы на с. 129.

Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока применяют в тех электроприводах, где требуется большой диапазон регулирования скорости, большая точность поддержания скорости вращения привода, регулирования скорости вверх от номинальной.

Как устроены электродвигатели постоянного тока

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Из основ электротехники известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая по правилу левой руки :

где I — ток, протекающий по проводнику, В — индукция магнитного поля; L — длина проводника.

При пересечении проводником магнитных силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила, которая по отношению к току в проводнике направлена против него, поэтому он а называется обратной или противодействующей (противо-э. д. с). Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря , разделенных воздушным зазором.

Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов , рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока .

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях , которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя .

Коммутация в электродвигателях постоянного тока

В процессе работы электродвигателя постоянного тока щетки, скользя по поверхности вращающегося коллектора, последовательно переходят с одной коллекторной пластины на другую. При этом происходит переключение параллельных секций обмотки якоря и изменение тока в них. Изменение тока происходит в то время, когда виток обмотки замкнут щеткой накоротко. Этот процесс переключения и явления, связанные с ним, называются коммутацией .

В момент коммутации в короткозамкнутой секции обмотки под влиянием собственного магнитного поля наводится э. д. с. самоиндукции. Результирующая э. д. с. вызывает в короткозамкнутой секции дополнительный ток, который создает неравномерное распределение плотности тока на контактной поверхности щеток. Это обстоятельство считается основной причиной искрения коллектора под щеткой. Качество коммутации оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки и определяется по шкале степеней искрения.

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Под возбуждением электрических машин понимают создание в них магнитного поля, необходимого для работы электродвигателя . Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке .

Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока: а - независимое, б - параллельное, в - последовательное, г - смешанное

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы :

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.

4. Двигатели со смешаным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока прежде всего различаются по характеру возбуждения. Двигатели могут быть независимого, последовательного и смешанного возбуждения. Параллельное возбуждение можно не рассматривать. Даже если обмотка возбуждения подключается к той же сети, от которой питается цепь якоря, то и в этом случае ток возбуждения не зависит от тока якоря, так как питающую сеть можно рассматривать как сеть бесконечной мощности, а ее напряжение постоянным.

Обмотку возбуждения всегда подключают непосредственно к сети, и поэтому введение добавочного сопротивления в цепь якоря не оказывает влияния на режим возбуждения. Той специфики, которая существует при параллельном возбуждении в генераторах, здесь быть не может.

В двигателях постоянного тока малой мощности часто используют магнитоэлектрическое возбуждение от постоянных магнитов. При этом существенно упрощается схема включения двигателя, уменьшается расход меди. Следует однако иметь в виду, что, хотя обмотка возбуждения исключается, габариты и масса магнитной системы не ниже, чем при электромагнитном возбуждении машины.

Свойства двигателей в значительной мере определяются их системой возбуждения.

Чем больше габариты двигателя, тем, естественно, больше развиваемый им момент и соответственно мощность. Поэтому при большей скорости вращения и тех же габаритах можно получить большую мощность двигателя. В связи с этим, как правило, двигатели постоянного тока, особенно малой мощности, проектируются на большую частоту вращения - 1000-6000 об/мин.

Следует, однако, иметь в виду, что скорость вращения рабочих органов производственных машин существенно ниже. Поэтому между двигателем и рабочей машиной приходится устанавливать редуктор. Чем больше скорость двигателя, тем более сложным и дорогим получается редуктор. В установках большой мощности, где редуктор представляет собой дорогостоящий узел, двигатели проектируются на существенно меньшие скорости.

Следует еще иметь в виду, что механический редуктор всегда вносит значительную погрешность. Поэтому в прецизионных установках желательно использовать тихоходные двигатели, которые можно было бы сочленить с рабочими органами либо напрямую, либо посредством простейшей передачи. В связи с этим появились так называемые высокомоментные двигатели на низкие скорости вращения. Эти двигатели нашли широкое применение в металлорежущих станках, где сочленяются с органами перемещения без каких-либо промежуточных звеньев посредством шарико-винтовых передач.

Электрические двигатели отличаются также по конструктивным при знакам, связанным с условиями их работы. Для нормальных условий используются так называемые открытые и защищенные двигатели, охлаждаемые воздухом помещения, в котором они устанавливаются.

Воздух продувается через каналы машины посредством вентилятора, размещенного на валу двигателя. В агрессивных средах используются закрытые двигатели, охлаждение которых осуществляется за счет внешней ребристой поверхности или наружного обдува. Наконец, выпускаются специальные двигатели для взрывоопасной среды.

Специфические требования к конструктивным формам двигателя предъявляются при необходимости обеспечения высокого быстродействия — быстрого протекания процессов разгона, торможения. В этом случае двигатель должен иметь специальную геометрию - малый диаметр якоря при большой его длине.

Для уменьшения индуктивности обмотки ее укладывают не в пазы, а на поверхность гладкого якоря. Крепится обмотка клеющими составами типа эпоксидной смолы. При малой индуктивности обмотки существенно улучшаются условия коммутации на коллекторе, отпадает необходимость в дополнительных полюсах, может быть использован коллектор меньших размеров. Последнее дополнительно уменьшает момент инерции якоря двигателя.

Еще большие возможности для снижения механической инерции дает использование полого якоря, представляющего собой цилиндр из изоляционного материала. На поверхности этого цилиндра располагается обмотка, изготовляемая печатным способом, штамповкой или из про волоки по шаблону на специальном станке. Крепление обмотки осуществляется клеющими материалами.

Внутри вращающегося цилиндра располагается стальной сердечник, необходимый для создания путей прохождения магнитного потока. В двигателях с гладким и полым якорями вследствие увеличения зазоров в магнитной цепи, обусловленного внесением в них обмотки и изоляционных материалов, требуемая намагничивающая сила для проведения необходимого магнитного потока существенно возрастает. Соответственно магнитная система получается более развитой.

К числу малоинерционных двигателей относятся также двигатели с дисковыми якорями. Диски, на которые наносятся или наклеиваются обмотки, изготовляются из тонкого изоляционного материала, не подверженного короблению, например из стекла. Магнитная система при двухполюсном исполнении представляет собой две скобы, на одной из которых размещены обмотки возбуждения. В связи с малой индуктивностью обмотки якоря машина, как правило, не имеет коллектора и съем тока осуществляется щетками непосредственно с обмотки.

Следует еще упомянуть о линейном двигателе, обеспечивающем не вращательное движение, а поступательное. Он представляет собой двигатель, магнитная система которого как бы развернута и полюсы устанавливаются на линии движения якоря и соответствующего рабочего органа машины. Якорь обычно выполняется как малоинерционный. Габариты и стоимость двигателя велики, так как необходимо значительное число полюсов для обеспечения перемещения на заданном отрезке пути.

Пуск двигателей постоянного тока

В начальный момент пуска двигателя якорь неподвижен и противо-э. д. с. и напряжение в якоре равна нулю, поэтому Iп = U / Rя.

Сопротивление цепи якоря невелико, поэтому пусковой ток превышает в 10 - 20 раз и более номинальный. Это может вызвать значительные электродинамические усилия в обмотке якоря и чрезмерный ее перегрев, поэтому пуск двигателя производят с помощью пусковых реостатов - активных сопротивлений, включаемых в цепь якоря.

Двигатели мощностью до 1 кВт допускают прямой пуск.

Величина сопротивления пускового реостата выбирается по допустимому пусковому току двигателя. Реостат выполняют ступенчатым для улучшения плавности пуска электродвигателя.

В начале пуска вводится все сопротивление реостата. По мере увеличения скорости якоря возникает противо-э. д. с, которая ограничивает пусковые токи. Постепенно выводя ступень за ступенью сопротивление реостата из цепи якоря, увеличивают подводимое к якорю напряжение.

Регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока:

где U — напряжение питающей сети; Iя — ток якоря; R я — сопротивление цепн якоря; kc — коэффициент, характеризующий магнитную систему; Ф — магнитный поток электродвигателя.

Из формулы видно, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать тремя путями: изменением потока возбуждения электродвигателя, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением сопротивления в цепи якоря.

Наиболее широкое применение получили первые два способа регулирования, третий способ применяют редко: он неэкономичен, скорость двигателя при этом значительно зависит от колебаний нагрузки. Механические характеристики, которые при этом получаются, показаны на рисунке .

Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при различных способах регулирования частоты вращения

Жирная прямая — это естественная зависимость скорости от момента на валу, или , что то же, от тока якоря. Прямая естественной механической характеристики несколько отклоняется от горизонтальном штриховой линии. Это отклонение называют нестабильностью, нежесткостью, иногда статизмом. Группа непаралельных прямых I соответствует регулированию скорости возбуждением, параллельные прямые II получаются в результате изменения напряжения якоря, наконец, веер III — это результат введения в цепь якоря активного сопротивления.

Величину тока возбуждения двигателя постоянного тока можно регулировать с помощью реостата или любого устройства, активное сопротивление которого можно изменять по величине, например транзистора. При увеличении сопротивления в цепи ток возбуждения уменьшается, частота вращения двигателя увеличивается. При ослаблении магнитного потока механические характеристики располагаются выше естественной (т. е. выше характеристики при отсутствии реостата). Повышение частоты вращения двигателя вызывает усиление искрения под щетками. Кроме того, при работе электродвигателя с ослабленным потоком уменьшается устойчивость его работы, особенно при переменных нагрузках на валу. Поэтому пределы регулирования скорости таким способом не превышают 1,25 - 1,3 от номинальной.

Регулирование изменением напряжения требует источника постоянного тока, например генератора или преобразователя. Такое регулирование используют во всех промышленных системах электропривода: генератор - д вигатель постоянного тока (Г - ДПТ), электромашинный усилитель - двигатель постоянного тока (ЭМУ - ДПТ), магнитный усилитель - двигатель постоянного тока (МУ - ДПТ), тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока (Т - ДПТ).

Торможение электродвигателей постоянного тока

В электроприводах с электродвигателями постоянного тока применяют три способа торможения: динамическое, рекуперативное и торможение противовключением.

Динамическое торможение электродвигателя постоянного тока осуществляется путем замыкания обмотки якоря двигателя накоротко или через резистор. При этом электродвигатель постоянного тока начинает работать как генератор , преобразуя запасенную им механическую энергию в электрическую. Эта энергия выделяется в виде тепла в сопротивлении, на которое замкнута обмотка якоря. Динамическое торможение обеспечивает точный останов электродвигателя.

Рекуперативное торможение электродвигателя постоянного тока осуществляется в том случае, когда включенный в сеть электродвигатель вращается исполнительным механизмом со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода. Тогда э. д. с, наведенная в обмотке двигателя, превысит значение напряжения сети, ток в обмотке двигателя изменяет направление на противоположное. Электродвигатель переходит на работу в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть. Одновременно на его валу возникает тормозной момент. Такой режим может быть получен в приводах подъемных механизмов при опускании груза, а также при регулировании скорости двигателя и во время тормозных процессов в электроприводах постоянного тока.

Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока является наиболее экономичным способом, так как в этом случае происходит возврат в сеть электроэнергии. В электроприводе металлорежущих станков этот способ применяют при регулировании скорости в системах Г - ДПТ и ЭМУ - ДПТ.

Торможение противовключением электродвигателя постоянного тока осуществляется путем изменения полярности напряжения и тока в обмотке якоря. При взаимодействии тока якоря с магнитным полем обмотки возбуждения создается тормозной момент, который уменьшается по мере уменьшения частоты вращения электродвигателя. При уменьшении частоты вращения электродвигателя до нуля электродвигатель должен быть отключен от сети, иначе он начнет разворачиваться в обратную сторону.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также: