Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование

После предыдущего поста о мотор-редукторе мне пришло несколько вопросов по регулированию двигателя постоянного тока. Так что пора написать очередной пост 🙂

Двигатель постоянного тока (ДПТ) это один из самых привычных и понятных электродвигателей, он изучается даже в школе, на физике. Он используется практически везде, где нужен малогабаритный моторчик, а также не спешит сдавать своих позиций и там, где мощность измеряется десятками киловатт. О нем и поговорим.
 

▌Конструктив и базовый принцип
Не буду тут особо распинаться, покажу картинку из википедии и укажу ряд основных узлов. Все остальное вы и так знаете и трогали своими руками.
 

1. Статор состоит из источника магнитного поля. Далеко не всегда это постоянный магнит, более того, постоянный магнит это скорей исключение, чем правило. Обычно все же это обмотка возбуждения. По крайней мере на всем, что больше кулака по размерам.
 

2.

Якорь состоит из обмотки якоря и коллекторного узла.
 

Работает все очень и очень просто. Обмотка якоря отталкивается от магнитного поля статора силой Ампера и совершает пол оборота, стремясь вывести эту силу на ноль и таки вывела бы если бы не коллектор, который ловко всех обламывает переключает полярность катушки и сила вновь становится максимальной. И так по кругу. Т.е. коллектор служит механическим инвертором напряжения в якоре. Запомните этот момент, он нам еще пригодится 🙂
 

Обычно в мелких моторчиках всего два полюса обмотки возбуждения (одна пара) и трехзубцовый якорь. Три зуба это минимум для запуска из любого положения, но чем больше зубцов тем более эффективно используется обмотка, меньше токи и более плавный момент, т.к сила является проекцией на угол, а активный участок обмотки проворачивается на меньший угол

 

▌Происходящие в двигателе процессы
Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.
 

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

 

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.
 

А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.

 

▌Немного формул
Не буду грузить никого выводами, их найдете сами если захотите. Чтобы было поменьше матана рекомендую найти учебник по электроприводу для средних учебных заведений и годом выпуска подревней. От 50х-60х годов самое то 🙂 Там и картинки винтажные и расписано для вчерашнего выпускника сельской семилетки. Много букв и никакого грузилова, все четко и по делу.
 

Самая главная формула коллекторного двигателя постоянного тока:

U = Е + I_я*R_я

• U — напряжение подаваемое на якорь
• R_я — сопротивление якорной цепи. Обычно за этот символ считают только сопротивление обмотки, хотя можно снаружи навесить резистор какой и он к ней приплюсуется. Тогда пишут как (R _я+R_д)
• I_я — ток в якорной цепи. Тот самый который замеряется амперметром при попытке измерять потребление движка 🙂
• Е — это противоэдс или ЭДС генератора, в генераторном режиме. Она зависит от конструкции двигателя, оборотов и описывается вот такой вот простой формулой

Е = С_е * Ф * n

• C_e — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет 🙂
• Ф — поток возбуждения. Т.е. сила магнитного поля статора. В мелких моторчиках, где оно задается постоянным магнитом это тоже константа. Но бывает под возбуждение выведена отдельная обмотка и тогда мы можем ее менять.
• n — обороты якоря.

 

Ну и зависимость момента от тока и потока:

М = С_м * I_я * Ф

С_м — конструктивная констатнта.
 

Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента. Это может быть важно, например, чтобы не сломать привод, когда двигло может развить такое усилие, что легко поломает то, что оно там вращает. Особенно с редуктором.

 

Ну и из этого же следует, что момент у машины постоянного тока зависит только от способности источника снабжать его током. Так что идеальный нерушимый сверхпроводящий движок вам на раз лом в узел завяжет, пусть даже он сам с ноготок будет. Только энергию подавай.
 

А теперь смешаем все это в кучу и получим зависимость оборотов от момента — механическую характеристику двигателя.
 

 

Если ее построить, то будет нечто следующее:
 

 

n₀ — это обороты идеального холостого хода сферического двигателя в вакууме. Т.е. когда наш движок ну ваще халявит, момент равен нулю. Ток потребления тоже, естественно, ноль. Т.к. противоэдс равна напряжению. Чисто теоретический вариант. А вторая точка строится уже с каким-либо моментом на валу. Получается прямая зависимость оборотов от момента. А наклон характеристики определяется сопротивлением якорной цепи. Если никаких добавочных резисторов там нет, то это зовут естественной характеристикой.

 

Обороты идеального холостого хода зависят от напряжения и потока. Больше ни от чего. А если поток константа (постоянный магнит), то только от напряжения. Снижая напряжение вся наша характеристика параллельно смещается вниз. Уменьшили напряжение в два раза — скорость упала в два раза.

 

Если есть возможность менять поток возбуждения, то можно поднимать скорость выше номинальной. Тут зависимость обратная. Ослабляем поток — двигатель разгоняется, но либо падает момент, либо ему надо жрать больше тока.
 

Иной двигатель со снятием возбуждения может и в разнос пойти. Помнится сдавал я затянувшийся курсач по электроприводу, уже хрен знает спустя сколько времени после сессии. Вломы мне его делать было, ага 🙂 Ну и сидел в лаборатории, ждал препода. А там какие то балбесы, на курс ниже, лабу делали. Крутили движок вхолостую, а возбуждение к стенду приверчено было на соплях и слетело с клеммы. Движок в разнос пошел. У нас в лаборатории ЭПА ЮУРГУ все серьезно было, машины стояли нешуточные, по десятку киловатт и под сотню другую кг каждый. Все на суровом напряжении в 380 вольт.

В общем, когда эта дура взревела как монстр и стала рваться с креплений, я только и успел крикнуть, что все нахер от машины, вырубай к черту. Не успели, двигло сорвало с креплений, обмотка повылетала с пазов и движку пришел кирдык. Ладно никого не покалечило.
Впрочем, лабы привода это то еще развлечение было. У нас там и горело и взрывалось. Там я приобрел замечательные навыки чинить что угодно, чем угодно в сжатые сроки. В среднем, каждый успел по разу убить стенд наглухо, а лаба часто начиналась с починки паяльника, которым чинили осциллограф с помощью которого реанимировали убитый стенд.
 

Добавляя резисторы в якорную цепь мы можем увеличить наклон, т.е. чем больше грузим тем больше падает скорость.

Метод плох тем, что резисторы в цепи якоря должны быть расчитаны на ток двигателя, т.е. быть мощными и будут греться зря. Ну и момент резко падает, что плохо.
 

Есть еще двигатели не независимого, а последовательного возбуждения. Это когда обмотка статора включена последовательно якорю. Не каждый двигатель так можно включить, обмотка возбуждения должна выдерживать ток якоря. Но у них возникает одно интересное свойство. При пуске возникает большой пусковой ток и этот пусковой ток является же током возбуждения, обеспечивая огромный пусковой момент. Механическая характеристика напоминает гиперболу с максимумом в районе нулевых оборотов.

 

А дальше, по мере разгона, момент падает, а обороты наоборот растут. И если нагрузку убрать с вала, то движок сразу же уходит в разнос. Такие движки ставят на тягловый привод в основном. По крайней мере ставили раньше, до развития силовой электроники. С места эта хрень рвет так, что все стритсракеры нервно закуривают.
 

▌Режимы работы двигателя постоянного тока
Направление вращения движка зависит от направления тока якоря или направления потока возбуждения. Так что если взять коллекторный двигатель и подключить обмотку возбуждения параллельно якорю, то он будет прекрасно вращаться и на переменном токе (универсальные двигатели, их в кухонную технику часто ставят). Т.к. ток будет одновременно меняться и в якоре и в возбуждении. Момент правда будет пульсирующим, но это мелочи. А для реверса там надо будет поменять полярность включения якоря или возбуждения.

 

Если нарисовать механическую характеристику в четырех квадрантах, то у нас будет нечто похожее на это:
 

 

Вот, например, характеристика 1 на I участке у нас машина работает как двигатель. Нагрузка растет и в определенный момент двигатель останавливается и начинает вращаться в обратную сторону, т.е. нагрузка обращает его вспять. Это тормозной режим, противовключение. Режим очень тяжелый, двигло греется просто зверски, но для торможения очень эффективный. Если же момент на валу сменит направление и пойдет вращать навстречу движку, то мотор сразу же выйдет на генерацию (IV участок).
 

Характеристика 2 это то же самое, только с обратной полярностью питающего напряжения двигателя.
 

А характеристика 3 это динамическое торможение. Оно же реостатное. Т.е. когда мы берем и просто коротим наш двигатель на резистор или сам на себя. Можете сами проверить, возьмите любой моторчик и покрутите его, а потом закоротите ему якорь и покрутите снова. На валу будет ощутимое усилие, тем больше, чем качественнее движок.
 

Кстати, драйвера двигателей вроде L293 или L297 имеют возможность включить реостатное торможение, подачей обоих ключей вверх или вниз. При этом якорь коротится через драйвер на шину земли или питания.
 

▌Бесколлекторные двигатели постоянного тока
Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка говна во всей этой вкусняшке — коллектор.
 

Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.
 

Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.
 

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.
 

А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку — гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.
 

И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история.

Основные уравнения двигателя постоянного тока (ДПТ)

В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.

В результате взаимодействия I_я тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя E_я

При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС E_я направленная навстречу I_я. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС  и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

E_я = С_е * Ф * n (1)

C_e — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

U = E_я + I_я * ∑R (2)

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

• обмотки якоря
• добавочных полюсов
• обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)

Ток якоря I_я

Выразим из формулы 2 ток якоря.

 

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

P_эм = Е_я I_я (5)

Электромагнитный момент

 где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, C_м — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М₀ момент холостого хода;

Р₂ — полезная мощность двигателя

Двигатели Коллекторные Постоянного Тока: Принцип Действия

Машина постоянного тока коллекторная в разрезе

Сегодня уже невозможно представить, что бы мы делали без электрических двигателей. Они применяются буквально везде – в зубных щетках, принтерах, детских игрушках, в автомобилях в банкоматах и многом, многом другом. Двигатели коллекторные постоянного тока очень надежны.

Их конструкция практически не изменилась за последние сто лет. Сегодня мы расскажем вам все, что знаем об этих устройствах, так облегчающих жизнь современному человеку.

Основные понятия

Давайте вкратце пробежимся по строению двигателя, чтобы дальнейший материал был проще для усвоения.

Как устроен двигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока коллекторный – строение

На схеме выше вы можете рассмотреть основные части любого коллекторного двигателя постоянного тока. Его строение более чем классическое, и разница в двигателях достигается за счет их мощности и настроек.

Итак, давайте по порядку:

Коллекторный двигатель постоянного тока — якорь

• Якорь или ротор – это подвижная часть устройства, которая и осуществляет механическую работу. Представляет собой он крепкий металлический вал, который закреплен в корпусе агрегата через подшипники качения, что, собственно, и позволяет детали вращаться.
• Смотрим на фото выше и идем справа налево, разбирая элементы, установленные на валу.
• На подшипнике мы видим пылезащитную шайбу. Она не дает механизму забиваться грязью, а также обеспечивает его надежную и мягкую фиксацию внутри металлического корпуса двигателя.
• Далее идут по кругу короткие параллельные пластины, которые изолированы друг от друга. Эта часть якоря и есть коллекторы двигателей постоянного тока. Их назначение состоит в том, чтобы постоянно во время вращения ротора менять запитываемые участки обмотки якоря, с целью достижения максимальной эффективности работы.

Ремонт коллектора двигателей постоянного тока – в домашних условиях практически невозможен

• Если вы не в курсе, что такое закон электромагнитной индукции, то сейчас вам, наверняка, стало непонятно, о чем мы только что сказали. Подождите немного, мы дадим разъяснения в следующей главе.
• Идем дальше. От коллектора отходит в разные стороны припаянная медная проволока. Это выводы обмотки якоря, которая запитывается через коллектор.
• Далее идет самая толстая и важная часть якоря, состоящая из магнитопровода (сердечника) – шихтованный бочонок, набранный из стальных пластин, и самой обмотки – медных проводов, уложенных определенным образом в пазах магнитопровода.

Интересно знать! Обмотку якоря от абразивной пыли защищает броня из шнура. Абразивная пыль внутри двигателя постоянно образуется из-за трения друг о друга металлических деталей в подшипнике.

• Венчает ротор пластиковая крыльчатка, которая отвечает за охлаждение двигателя во время его работы.

Электродвигатель коллекторный постоянного тока – статор

• Вторая, но не менее важна рабочая часть двигателя – это статор. Данная деталь является неподвижной. По сути, статор – это электромагнит, задача которого генерировать направленное магнитное поле.
• Состоит он из сердечника, также набранного из пластин, и обмотки.

Интересно знать! Обратите внимание, за исключением того, что ток на обмотку статора подается через неподвижные соединения на клеммы, и сама деталь является неподвижной, его строение точно такое же, как и у ротора, что и определяет свойства электрических двигателей.

• И статор, и ротор удерживаются в правильном положении за счет корпуса, который изготавливается из стали.
• К корпусу может присоединяться станина, которая обеспечивает устойчивость двигателя, но это уже больше зависит от типа мотора и режима его использования.

Двигатель постоянного тока коллекторного типа нуждается в щетках

• Следующая важная часть двигателя постоянного тока – это щеточный аппарат. Эти детали является расходуемыми и заменяемыми в процессе эксплуатации. Они обеспечивают скользящий контакт. Именно так коллекторы для двигателей постоянного тока запитываются электричеством.
• Сделаны щетки из графита. Также есть модели с центральным медным стержнем, такие щетки называются медно-графитовыми.
• От щеток отходят провода, которые уже последовательно соединяются с системой управления двигателем и источником питания.

Электромагнитная индукция

Разобрав строение двигателя переменного тока с коллектором, давайте немного поговорим о законах физики, благодаря которым, сей агрегат может работать.

Коллекторные двигатели постоянного тока – разбираем принцип работы

• Итак, суть любого электромотора заключается в преобразовании электрической энергии в кинетическую. То есть в механическое усилие, которое обычно передается на ведомые механизмы через вращающийся вал, посредством различных передач.
• Основной физический закон, заставляющий двигатель вращаться – это взаимодействие магнитных полей. Закон электромагнитной индукции также очень важен для понимания функционирования этих машин. Давайте попробуем немного в нем разобраться.
• На схеме выше показано, как функционирует генератор постоянного тока. Не спешите ругаться, принцип работы с двигателем у этого устройства имеет общие моменты и даже более…
• Мы видим постоянный магнит, создающий поле линии которого направлены от северного полюса к южному.
• Согласно закону электромагнитной индукции, если поперек этих волн переместить проводник, то в нем образуется электродвижущая сила (ЭДС). Другими словами, в проводнике индуцируется ток.
• Этот ток ничем не хуже любого другого, а значит, тоже создает магнитное поле вокруг проводника. Данный принцип заложен в работу двигателей с короткозамкнутым ротором. Но в нашем случае магнитное поле от ЭДС оказывает тормозящий эффект.
• Смотрим на внутреннюю часть схемы. Там мы видим вращающуюся рамку – простейший аналог обмотки якоря.

Так бы работал двигатель постоянного тока, коллектора в котором нет

• Представим, что изначально рамка стоит горизонтально. Когда происходит вращение, части рамки аб и вг начинают пересекать магнитное поле. Ток начинает расти, пока рамка не займет строго вертикальное положение.
• Далее ток начинает падать до нуля, пока рамка снова не примет горизонтальную позицию.

Интересно знать! Падение происходит за счет того, что в таком положении проводники уже не пересекают магнитное поле, а скользят по его линиям.

• Данное положение является противоположным изначальному – части рамки поменялись местами.

Направление, в котором течет ток в проводнике, зависит от того, в какую сторону проводник двигается

• Продолжаем вращение. Ток начинает снова расти, но согласно правилу левой руки, он сменит свое направление в цепи на противоположное. Именно так действует генератор переменного тока. Его отличие от героя нашего обзора состоит в том, что у него нет коллектора, а вместо него используется сплошное контактное кольцо. Такой ток в графическом виде представляется как синусоида – смотрите изображение ниже, пункт «b».

Коллекторы для электродвигателей постоянного тока не дают току менять свое направление

• Смысл назначения коллектора в том, что он не дает току менять направление. Напоминаем, коллектор состоит из изолированных пластин, которые контактирую со щетками так, чтобы при смене полуоборотов рамки, они менялись местами.
• Графически ток, выдаваемый такой рамкой, показан на схеме выше, пункт «с».

Итак, это была вводная информация, которая позволит вам лучше понять то, о чем мы будем говорить во второй части статьи.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Коллекторные электродвигатели постоянного тока

Уникальным свойством коллекторных машин является обратимость этих устройств. Что под эти понимается?

• Все просто! Данные агрегаты способны работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора постоянного тока, при соответствующем подключении статора и ротора двигателя.
• Когда машина постоянного тока подключается к источнику энергии, ток начинает бежать в обмотках ротора и статора агрегата. И там и там моментально образуются электромагнитные поля – якоря и возбуждения. Взаимодействие этих полей создает на роторе некий электромагнитный момент (М).
• Этот момент является вращающим, не обладающий тормозящим эффектом, как в генераторе тока.
• Под действием момента М якорь приходит в движение. При этом потребляется электрическая энергия из питающей сети.
• Когда ротор приходит в движение, в его обмотке начинает индуцироваться ЭДС, подобно тому, как мы описывали в предыдущей главе.

Электродвигатели постоянного тока коллекторные – правило правой руки поможет определить направление магнитного поля обмотки якоря

• Направление ЭДС легко определяется по правилу левой руки, подробное описание которого представлено на рисунке выше.
• Интересно то, что данная ЭДС будет направлена в противоположную сторону питающему ротор току, поэтому данная сила называется противо-ЭДС, то есть она тормозит якорь.
• Если не вдаваться в формулы и расчеты, то можно просто сказать, что при увеличении электромагнитного момента, то есть, когда возрастает нагрузка на вал двигателя, происходит рост мощности в обмотке якоря (на входе двигателя).
• Мы знаем, что напряжение, подводимое к двигателю, постоянно остается неизменным, а значит, из-за возрастания нагрузки происходит рост питающего ротор тока.
• Другими словами, частота вращения якоря будет прямо пропорциональной напряжению и обратно пропорциональной возбуждающему потоку. Растущий ток повышает момент вращения при неизменном нагрузочном моменте
• Говоря еще проще, зажмите чем-нибудь вал двигателя. При этом замедлится его вращение, а сила тока возрастет. Увеличьте силу тока без нагрузки на вал, он раскрутится сильнее, все просто.

Интересно знать! Если нагрузка на вал будет настолько сильной, что во время работы заставит вращаться его в обратном направлении, двигатель перейдет в режим генератора.

Разновидности двигателей постоянного тока

Коллекторный электродвигатель постоянного тока для компактных устройств

Все двигатели постоянного тока можно разделить по их мощности и назначению:

• Самые маленькие экземпляры имеют мощность в единицы Ватт.
• Их обычно устанавливают в небольшие устройства и детские игрушки. Их рабочее напряжение варьируется в пределах 3-9 Вольт, что могут обеспечить обычные батарейки.
• Строение основных рабочих частей таких двигателей следующее: трехполюсной ротор, коллектор с соответствующим количеством пластин, двухполюсной статор, роль которого выполняют постоянные магниты.
• Электродвигатели коллекторные постоянного тока средней мощности, которые выдают десятки ватт.
• Их строение немного отличается: многополюсной ротор и коллектор, щеточный аппарат из двух или четырех щеток, четырехполюсной статор на постоянных магнитах.

Двигатели постоянного тока коллекторные

• Мощные агрегаты, выдающие и потребляющие сотни и тысячи Ватт энергии, имеют практически такое же строение, но вместо маломощных постоянных магнитов в них используются электрические.

Способы возбуждения двигателей постоянного тока

Способы подключения двигателей постоянного тока

Существует четыре способа возбуждения двигателя постоянного тока.

Независимое возбуждение

Не трудно догадаться, что при такой схеме якорь двигателя питается от основного источника постоянного тока – от сети, генератора или выпрямителя, а обмотка возбуждения подключена к дополнительному источнику.

• Обмотка возбуждения имеет регулировочный реостат, позволяющий контролировать режимы работы двигателя.
• К цепи обмотки ротора подключается пусковой реостат. Его назначение — ограничение тока при пуске двигателя.
• Особенностью такой схемы является то, что возбуждающие токи от токов нагрузки не зависят, а значит, магнитный поток двигателя практически не будет зависеть от нагрузки. То есть зависимость частоты вращения и момента будут линейными.
• Огромный недостаток такого двигателя, это то, что если его включить без нагрузки, частота вращения станет очень большой, что может привести даже к выходу его из строя. Ток в обмотке якоря сильно возрастает, из-за чего может возникнуть круговой огонь.
• От работы двигателя в таком режиме защищает автоматика, которая отключает подачу питания.

Интересно знать! Чисто теоретически, работа в таком режиме не может заставить постоянно увеличиваться скорость вращения ротора. Она прекратит нарастать, когда противо-ЭДС достигнет значения напряжения питания.

• Если во время работы такого двигателя произойдет разрыв цепи возбуждения, при условии, что нагрузка на валу близка к номинальной, двигатель остановится, так как электромагнитный момент станет меньше, чем нагрузка на валу. В этом случае ток на обмотке якоря также резко возрастет, что приведет к его перегреву и прочим неприятным последствиям.

Параллельное возбуждение

Схема параллельного возбуждения

В этой схеме обе обмотки питаются от одного источника. В цепи также включены два реостата – регулировочный и пусковой.

• Несмотря на подключение к одной сети, питание, по сути, остается независимым, а значит, ток обмотки возбуждения, также не будет зависеть от тока обмотки якоря.
• Двигатель с таким подключением имеет такие же характеристики, как и независимый.
• Тем не менее, разница есть – такой мотор будет работать только при условии, что напряжение источника питания остается неизменным.

Последовательное возбуждение

Схема с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения имеет последовательное с якорем подключение.

• Для ограничения пускового тока в цепь может быть включен пусковой реостат, также может быть включен и реостат регулировочный.
• При таком подключении токи обмоток уже имеют зависимость друг от друга. При включении реостата они будут равными, а значит, магнитный поток будет зависеть от нагрузки.
• Магнитная система машины не будет насыщенной, пока ток обмотки якоря будет составлять 80-90% от номинального тока. Магнитный поток будет изменяться прямо пропорционально току, из-за чего скоростная характеристика агрегата будет мягкой.
• При возрастании тока частота вращения такого двигателя падает. Это происходит из-за возрастания падения напряжения в сопротивлении цепи обмотки якоря, а также из-за того что растет магнитный поток.
• Когда ток становится больше номинального, зависимости частоты вращения и момента становятся линейными, ведь магнитная цепь становится насыщенной, то есть при изменении тока магнитный поток больше изменяться не будет.

Механическая характеристика двигателя

• Механическая характеристика такого двигателя имеет гиперболическую форму. При малых нагрузках будет сильно уменьшаться магнитный поток, а частота вращения возрастать, что также может привести к тому, что двигатель пойдет вразнос.
• Это обстоятельство ограничивает применение сих агрегатов в системах, предполагающих работу на холостом ходу или с низкими нагрузками.

Интересно знать! Минимально допустимая нагрузка для двигателей с последовательным возбуждением составляет 20-25% от номинального значения. Чтобы не допустить включение двигателя без нагрузки, его присоединяют с приводом через жесткую глухую муфту или зубчатую передачу. Ременные передачи и фрикционные муфты использовать нельзя, так как может случиться обрыв, а последствия вам уже известны.

Что интересно, несмотря на такой недостаток, эти двигатели очень распространены, особенно там, где имеется изменение нагрузки и тяжелые условия пуска, например, в электровозах, электрокарах, тепловозах и прочем.

И объяснить это очень просто – при мягкой характеристике возрастание нагрузки не приводит к сильному росту тока и потребляемой энергии, а значит, с перегрузками данные агрегаты справляются лучше. Также не забываем про высокий пусковой момент, чего лишены рассматриваемые ранее варианты двигателей.

Смешанное возбуждение

Двигатель со смешанным возбуждением

Магнитный поток внутри такого двигателя создается благодаря совместному взаимодействию двух обмоток возбуждения. Одна из них подключена независимо или параллельно, а вторая последовательно.

• Механическая характеристика такого агрегата представляет собой нечто среднее между предыдущими вариантами.
• Большим преимуществом такого двигателя является возможность работать в холостом режиме, обладая при этом мягкой характеристикой.

Интересно знать! В режиме холостого хода частота вращения зависит от магнитного потока обмотки, подключенной параллельно.

• К достоинствам таких двигателей можно отнести простоту производства, эксплуатации и ремонта. Они имеют солидный рабочий ресурс.
• Из недостатков выделяются – низкомоментность и быстроходность.

При замедлении скорости вращения они становятся малоэффективными, их сложно охладить.

Немного об универсальности

На фото — электродвигатель постоянного тока универсальный коллекторный

Давайте немного поговорим про универсальные коллекторные двигатели. Суть этих агрегатов заключается в том, что они могут работать как от постоянного, так и от переменного токов.

• Используются такие машины в основном на электроинструменте, и некоторой бытовой технике, так как имеет малые размеры и легкую регулировку скорости вращения вала.
• По сути, эти двигатели являются ДПТ с последовательно запитанными обмотками, просто они оптимизированы для работы от общественной сети переменного тока.
• Данный двигатель будет вращаться в одну сторону вне зависимости от того в какую сторону бежит ток по обмоткам, хотя противофазный эффект имеет место быть, но он незначителен.
• Подробно об этом мы писали в недавней статье про двигатели переменного тока, если интересно, советуем ознакомиться.

На этом закончим наш обзор. Как видите, коллектор электродвигателя постоянного тока это небольшая, простая, но очень важная деталь, отличающая такие моторы от вариантов, работающих на переменном токе. Видео, которое мы подобрали, поможет еще лучше усвоить материал.

Из чего состоит якорь электродвигателя. Балансировка якоря электродвигателя

Электрические двигатели предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Первые их прототипы были созданы в 19 веке, а сегодня эти устройства максимально интегрированы в жизнь современного человечества. Примеры их использования можно встретить в любой сфере жизнедеятельности: от общественного транспорта до домашней кофемолки.

Это двигатели, питаемые от батарей или источников питания; они обладают превосходными механическими характеристиками и очень просты в управлении, но имеют более высокую стоимость, чем чередующиеся, менее надежны и требуют периодического обслуживания. Они используются в автоматизации, где они обеспечивают высокую производительность и простоту управления, но также и в других областях.

Они так называются, потому что им не нужен контакт ползучести, а источник питания с электронным устройством питания для переключения токов. Эти двигатели также питаются от силового электронного устройства, которое режет токи, но их работа отличается от других: их вал перемещается «в кадре» в том смысле, что позиции, которые они могут принимать, фиксированы и кратное шагу двигателя. Им управляет включение двигателя с соответствующей последовательностью токов, которая обеспечивает точную скорость отжима.

Электрический двигатель: вид в разрезе

Принцип преобразования энергии

Принцип работы электродвигателя любого типа заключается в использовании электромагнитной индукции, возникающей внутри устройства после подключения в сеть. Для того чтобы понять, как эта индукция создается и приводит элементы двигателя в движение, следует обратиться к школьному курсу физики, объясняющему поведение проводников в электромагнитном поле.

Эти двигатели имеют более низкую производительность, чем другие, но позволяют достичь очень точных мест размещения с помощью очень простой системы управления. Они используются в автоматизации, робототехнике и компьютерной периферии. Переменные двигатели имеют вращающееся магнитное поле внутри них; различает.

Синхронные двигатели, где вращающееся магнитное поле вращается с той же скоростью, что и вал асинхронного двигателя, где вращающееся магнитное поле вращается только быстрее, чем вал. Мы рассмотрим только асинхронные двигатели; синхронные используются почти исключительно как генераторы.

Итак, если мы погрузим проводник в виде обмотки, по которому движутся электрические заряды, в магнитное поле, он начнет вращаться вокруг своей оси. Это связано с тем, что заряды находятся под влиянием механической силы, изменяющей их положение на перпендикулярной магнитным силовым линиям плоскости. Можно сказать, что эта же сила действует на весь проводник.

Асинхронные двигатели, особенно трехфазные двигатели, широко используются в промышленности, потому что они могут питаться непосредственно от сети и потому что они надежны, надежны и экономичны. Однако их использование ограничено более простыми движениями, поскольку их трудно контролировать и имеют низкую производительность в начале.

К обернутым постоянным магнитом полям, то есть с универсальными электромагнитными волнами, с электромагнитами, соединенными так, что он также может работать поочередно. Двигатели с постоянными магнитами имеют малую и среднюю мощность и используются в автоматизации, обернутые полевые волны используются для более высоких мощностей, универсальные используются в станках, бытовой технике и тяге.

Схема, представленная ниже, показывает токопроводящую рамку, находящуюся под напряжением, и два магнитных полюса, придающие ей вращательное движение.

Именно эта закономерность взаимодействия магнитного поля и токопроводящего кон

Конструкция машин постоянного тока

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Несмотря на преимущественное распространение электроэнергии переменного тока в ряде отраслей промышленности широко используется и постоянный ток. В связи с этим находят широкое применение электрические машины постоянного тока.

Двигатели постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию, которая передается через вал рабочему органу приводного механизма.

Двигатели постоянного тока обладают важными преимуществом перед другими электродвигателями: они позволяют плавно и в широких пределах регулировать скорость вращения и обладают большим пусковым и перегрузочными моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении.

Двигатели постоянного тока применяются:

— в электроприводах главного движения и подач металлорежущих станков, штамповочных машин, роботов и манипуляторов, прокатных станов металлургического производства, некоторых типов грузоподъемных механизмов;

— в тяговых электроприводах транспортных средств мощных тягачей различного назначения, трамваев, троллейбусов, тепловозов;

— в электроприводах роторов мощных снегоочистителей;

— как исполнительные элементы автоматических систем управления технологическими процессами и производственными установками.

Машины постоянного тока – обратимые. Они могут работать и как генератор и как двигатель. Конструктивно генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково. На рис. 5.1 показан продольный разрез двигателя постоянного тока.

Рис. 5.1 -Общий вид двигателя постоянного тока:

1-коллектор, 2 — щеточный аппарат, 3 – якорь, 4 – главные полюса, 5 – катушка обмотки возбуждения, 6 – станина, 7 и 12 подшипниковые щиты, 8 — вентилятор, 9 – лобовые части обмотки статора, 10 — вал, 11-лапы

Машины постоянного тока состоит из двух основных частей: статора – неподвижной части и подвижной части – ротора. В машинах постоянного тока ротор называется якорем.

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 5.1) являются станина 6 с закрепленными на ней главными 4 и добавочными полюсами, вращающийся якорь 3 с обмоткой возбуждения 5 и коллектором 1 и щеточный аппарат 2. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы 11 для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения; их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации. Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями.

На валу 10 двигателя расположен якорь двигателя. Сердечник якоря представляет собой цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7.

Якорь машины постоянного тока в настоящее время выполняется, как правило, барабанного типа. Он состоит из: сердечника якоря 4, набираемого из листовой электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируются друг от друга лаковой или оксидной пленкой. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которые укладывается обмотка якоря 5. Обмотка выполняется из специальных медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Элементы обмотки тщательно изолируются между собой и от сердечника и закрепляются в пазах при помощи клиньев или бандажей из стальной проволоки. Части обмотки, выступающие с торцов сердечника (лобовые соединения) крепятся бандажами.

Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 1. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 2. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.

Обмотки якорей двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Обмотка якоря присоединяется к коллектору, закрепленному на валу машины. Обычно коллектор выполняется цилиндрического типа, реже торцевого. Продольный разрез цилиндрического коллектора приведен на рис. 5.2.

Рис. 5.2

1 — передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус

Коллектор состоит из коллекторных пластин (ламелей) 2, изолированных друг от друга и от элементов крепления миканитовыми прокладками и манжетами 4. С торцов пластины стягиваются нажимными конусами (фланцами) 5. Благодаря специальному выступу (ласточкину хвосту) пластины сжимаются между собой, образуя жесткую конструкцию. Затем коллектор обтачивается, чтобы его рабочая поверхность была строго цилиндрической.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью служит щеточный аппарат. Обычно он состоит из щеточной траверсы с пальцами и щеткодержателей со щетками. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которой располагается щетка, и нажимной пружины, прижимающей щетку к коллектору. Все одноименные щетки соединяются между собой сборными шинами, которые выводятся на зажимы машины, как концы обмотки якоря. Обмотка якоря впаивается непосредственно в выступающие части коллекторных пластин или при помощи специальных соединительных проводников (петушков), если разница в диаметрах коллектора и якоря велика.

Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.

Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.

На корпусе также расположены табличка с паспортными данными и клеммная коробка.

Клеммы на щитке коробки маркируются: начало и конец обмотки якоря А₁ и А₂; параллельной обмотки возбуждения – Е₁ и Е₂ , обмотки дополнительных полюсов – В₁ и В₂ .

Матовый двигатель постоянного тока

Дмитрий Левкин

Щеточный электродвигатель постоянного тока — это вращающаяся электрическая машина постоянного тока, которая преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию, в которой по крайней мере одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, подключена к коммутатору.

Рисунок 1 — Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами в секции

Ротор — вращающаяся часть электрической машины.

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) является частью коммутатора постоянного тока или синхронной машины, создающей магнитный поток для образования крутящего момента. Индуктор включает в себя постоянных магнитов или обмотку возбуждения . Индуктор может быть частью как ротора, так и статора. В двигателе, показанном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и является частью статора.

Якорь — это часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуцируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор, так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1 ротор представляет собой якорь.

Щетки — это часть электрической цепи, по которой электрический ток передается от источника питания к якорю. Кисти изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более.Одна из двух щеток подключена к положительной, а другая — к отрицательной клемме источника питания.

Коммутатор — это часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коммутатора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

В зависимости от конструкции статора щеточный двигатель может быть с постоянными магнитами и с намотанным статором.

Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом

Схема двигателя постоянного тока с постоянным магнитом

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (двигатель с постоянным магнитом) является наиболее распространенным среди щеточных двигателей постоянного тока.Индуктор этого двигателя включает в себя постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами обычно используются в задачах, не требующих высокой мощности. Двигатели с постоянным постоянным током дешевле в производстве, чем двигатели постоянного тока с возбуждением от возбуждения. При этом крутящий момент двигателя PMDC ограничен полем постоянных магнитов статора. Двигатель PMDC очень быстро реагирует на изменения напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко контролировать скорость двигателя.Недостатком двигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего поле статора уменьшается, а характеристики двигателя ухудшаются.

Преимущество:
• лучшее соотношение цена / качество
• высокий крутящий момент на низкой скорости
• быстрый отклик напряжения

Недостаток:
• Постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Электродвигатель постоянного тока с возбуждением от возбуждения

Схема электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Схема электродвигателя постоянного тока с параллельной обмоткой

Схема электродвигателя постоянного тока серии

Схема электродвигателя постоянного тока с комбинированной обмоткой

Двигатели с независимым возбуждением и с параллельной обмоткой

В электродвигателях с независимым возбуждением обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше).Обычно напряжение возбуждения U _FW отличается от напряжения в цепи якоря U. Если напряжения равны, то обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря. Использование в электроприводе электродвигателя с независимым возбуждением или с параллельной обмоткой определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В электродвигателях постоянного тока с шунтирующей обмоткой и щетками токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а общий ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря.Во время нормальной работы увеличение напряжения питания увеличивает общий ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением общего тока двигателя скорость также увеличивается, а крутящий момент уменьшается. Когда нагрузка двигателя увеличилась до , ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. По мере увеличения тока якоря ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, что приводит к уменьшению поля индуктора, что приводит к снижению скорости двигателя и увеличению крутящего момента.

Преимущество:
• практически постоянный крутящий момент на малых оборотах
• хорошие установочные свойства
• без потери магнетизма со временем (поскольку нет постоянных магнитов)

Недостаток:
• дороже, чем двигатель PMDC
• двигатель выходит из-под контроля при падении тока индуктора до нуля

Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой имеет характеристику крутящий момент / скорость с уменьшающимся крутящим моментом на высоких скоростях и высоким, но более постоянным крутящим моментом на низких скоростях.Ток в обмотке индуктора и якоре не зависит друг от друга, таким образом, полный ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. В результате этот тип двигателя имеет отличные характеристики регулирования скорости. Щеточный электродвигатель постоянного тока с шунтирующей обмоткой обычно используется в приложениях, требующих мощности более 3 кВт, в частности, в автомобильной промышленности и промышленности. По сравнению с двигателем с постоянным постоянным током, двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой не теряет со временем своих магнитных свойств и является более надежным.Недостатками электродвигателя постоянного тока с шунтирующей обмоткой и щеткой являются более высокая стоимость и возможность разгона электродвигателя при уменьшении тока индуктора до нуля, что, в свою очередь, может привести к отказу электродвигателя [5].

Двигатель постоянного тока серии

В щеточных двигателях постоянного тока с последовательной обмоткой обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря, а ток возбуждения равен току якоря (I _e = I _a ), что придает двигателям особые свойства. При малых нагрузках, когда ток якоря меньше номинального (I _a & lt I _rat ), а магнитная система двигателя не насыщена (Ф ~ I _а ), электромагнитный момент пропорционален площадь тока в обмотке якоря:

,

• где M — крутящий момент двигателя, Н ∙ м,
• с _М — постоянный коэффициент, определяемый проектными параметрами двигателя ,,
• Ф — основной магнитный поток, Вт,
• I _a — ток якоря, А.

При увеличении нагрузки магнитная система двигателя насыщается, и пропорциональность между током I _a и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с увеличением I _а практически не увеличивается. График зависимости M = f (I _a ) на начальном участке (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок превращается в прямую [3].

Рабочие характеристики двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой

Электромеханическая характеристика электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Важно: Недопустимо включение щеточного электродвигателя постоянного тока с последовательной обмоткой в ​​сеть на холостом ходу (без нагрузки на вал) или с нагрузкой менее 25% от номинальной, так как при малых нагрузках скорость якоря увеличивается. резко, достижение значений, при которых возможно механическое повреждение двигателя, поэтому в приводах с последовательно заведенными двигателями постоянного тока недопустимо использование ременной передачи, при ее обрыве двигатель переходит в режим холостого хода.Исключение составляют двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой мощностью до 100–200 Вт, которые могут работать в режиме холостого хода, поскольку их механические и магнитные потери на высоких скоростях соизмеримы с номинальной мощностью двигателя.

Способность двигателей постоянного тока с последовательной обмоткой развивать большой электромагнитный крутящий момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

Преимущество:
• высокий крутящий момент на низкой скорости
• без потери магнетизма со временем

Недостаток:
• низкий крутящий момент на высокой скорости
• дороже, чем двигатель PMDC
• Плохая регулировка частоты вращения из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
• двигатель выходит из-под контроля при падении тока индуктора до нуля

Двигатели постоянного тока с щеточной обмоткой серии

обладают высоким крутящим моментом при низкой скорости и развивают высокую скорость без нагрузки.Этот электродвигатель идеально подходит для устройств, которым необходимо развивать высокий крутящий момент (краны и лебедки), так как ток статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличие от двигателей с постоянным постоянным током и электродвигателей постоянного тока с шунтирующей обмоткой, двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой не обладают точными характеристиками регулирования скорости, и в случае короткого замыкания обмотки возбуждения они могут стать неуправляемыми.

Электродвигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой

Электродвигатель постоянного тока со смешанной обмоткой и щеткой имеет две обмотки возбуждения, одна из которых подключена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно.Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть разным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка — вспомогательной. Если обмотки соединены так, что последовательное поле способствует шунтирующему полю, то двигатель называется Кумулятивный составной щеточный двигатель постоянного тока . С другой стороны, если обмотки соединены таким образом, что два поля противостоят друг другу, то двигатель называется «Дифференциальный комбинированный щеточный двигатель постоянного тока».Скоростные характеристики электродвигателя постоянного тока с кумулятивной составной щеткой находятся между характеристиками скорости электродвигателя постоянного тока с параллельной обмоткой и электродвигателя постоянного тока с последовательной обмоткой. Противоположное соединение обмоток (дифференциальное компаундирование) используется, когда необходимо получить постоянную частоту вращения или увеличение частоты вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, характеристики электродвигателя постоянного тока с составной обмоткой близки к характеристикам электродвигателя постоянного тока с шунтирующей или последовательной обмоткой, в зависимости от того, какая обмотка возбуждения играет основную роль [4].

Преимущество:
• хороший контроль скорости
• высокий крутящий момент на низкой скорости
• Разгон двигателя менее вероятен
• без потери магнетизма со временем

Недостаток:
• дороже, чем другие щеточные двигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока с комбинированной обмоткой имеют рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока с шунтовой и последовательной обмоткой.Он имеет высокий крутящий момент на низкой скорости, а также электродвигатель постоянного тока с последовательной обмоткой и щеточный электродвигатель постоянного тока, а также хорошее регулирование скорости, как и электродвигатель постоянного тока с шунтовой обмоткой и щеткой. Разгон электродвигателя постоянного тока с комбинированной обмоткой и щеточным электродом менее вероятен, поскольку шунтирующий ток должен упасть до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть замкнута накоротко.

Рабочие характеристики щеточных двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также их регулировочными свойствами.

Кривые крутящий момент-скорость щеточных электродвигателей постоянного тока

Постоянная крутящего момента

Для щеточного двигателя постоянного тока постоянная крутящего момента определяется по формуле:

,

• где Z — общее количество жил,
• Ф — магнитный поток, Вт [1]

Также читайте

,

Типы двигателей постоянного тока — шунтирующие, серийные и комбинированные двигатели

A Direct Current Moto r, DC назван в соответствии с соединением обмотки возбуждения с якорем. В основном есть два типа двигателей постоянного тока. Один — это двигатель постоянного тока с отдельным возбуждением, а другой — двигатель постоянного тока с самовозбуждением.

Самовозбуждающиеся двигатели далее классифицируются как Шунтирующие двигатели или шунтирующие двигатели, Серии или серийные двигатели и Составные двигатели или составные двигатели.

Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую. Конструкция двигателя постоянного тока и генератора одинакова. Но двигатель постоянного тока имеет широкий диапазон скоростей и хорошее регулирование скорости в электротяге.

Принцип работы двигателя постоянного тока основан на принципе, согласно которому проводник с током помещается в магнитное поле и на него действует механическая сила.

Двигатель постоянного тока обычно используется там, где требуется защитный кожух, например, каплезащищенный, огнестойкий и т. Д.согласно требованиям. Подробное описание различных типов двигателей приведено ниже.

В комплекте:

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

Как следует из названия, катушки возбуждения или обмотки возбуждения получают питание от отдельного источника постоянного тока, как показано на принципиальной схеме, показанной ниже:

Двигатель постоянного тока с автономным возбуждением

Двигатель постоянного тока с самовозбуждением

Как следует из названия, самовозбуждающийся, следовательно, в этом типе двигателя ток в обмотках подается самой машиной или двигателем.Самовозбуждающийся двигатель постоянного тока подразделяется на двигатель с параллельной обмоткой и двигатель с последовательной обмоткой. Они подробно описаны ниже.

Двигатель с параллельной обмоткой

Это наиболее распространенные типы двигателей постоянного тока. Здесь обмотка возбуждения подключена параллельно якорю, как показано на рисунке ниже:

Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой

Уравнения тока, напряжения и мощности для параллельного двигателя записываются следующим образом.

Применяя KCL на разветвлении A на рисунке выше.

Сумма входящих токов при A = Сумма исходящих токов при A.

Где,

I — ток входной линии
Ia — ток якоря
Ish — ток возбуждения шунта

Уравнение (1) является текущим уравнением.

Уравнения напряжения записываются с использованием закона напряжения Кирхгофа (KVL) для цепи обмотки возбуждения.

Для цепи обмотки якоря уравнение будет иметь вид:

Уравнение мощности имеет вид:

Потребляемая мощность = развиваемая механическая мощность + потери в якоре + потери в поле.

Умножая уравнение (3) на Ia, получаем следующие уравнения.

Где,

VI _a — электрическая мощность, подаваемая на якорь двигателя.

Мотор с обмоткой серии

В последовательном двигателе обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря. Схема подключения представлена ​​ниже:

Двигатель с обмоткой серии

Применяя KCL на рисунке выше:

Где,

I _se — последовательный ток возбуждения

Уравнение напряжения можно получить, применив KVL на рисунке выше.

Уравнение мощности получается умножением уравнения (8) на I, получаем

Потребляемая мощность = развиваемая механическая мощность + потери в якоре + потери в поле

Сравнивая уравнение (9) и (10), мы получим уравнение, показанное ниже:

Мотор с комбинированной обмоткой

Двигатель постоянного тока, имеющий как шунтирующие, так и последовательные обмотки возбуждения, называется составным двигателем .Схема подключения составного двигателя показана ниже:

Комбинированный двигатель

Составной двигатель далее подразделяется на Накопительный составной двигатель и Дифференциальный составной двигатель . В кумулятивном составном двигателе магнитный поток, создаваемый обеими обмотками, имеет одинаковое направление, т.е.

В дифференциальном составном двигателе поток, создаваемый последовательными обмотками возбуждения, противоположен потоку, создаваемому шунтирующей обмоткой возбуждения, т.е.е.

Знак «плюс» и «минус» указывает направление потока, создаваемого в обмотках возбуждения.

,

Управление скоростью двигателя постоянного тока: управление сопротивлением якоря и управление магнитным потоком

Двигатель постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Одной из наиболее важных особенностей двигателей постоянного тока является то, что их скорость можно легко регулировать в соответствии с требованиями, используя простые методы. В двигателе переменного тока такое управление невозможно.

Концепция регулирования скорости отличается от управления скоростью. При регулировании скорости скорость двигателя изменяется естественным образом, тогда как в двигателе постоянного тока скорость двигателя изменяется вручную оператором или каким-либо устройством автоматического управления. Скорость двигателя постоянного тока определяется соотношением, показанным ниже.

Уравнение (1) показывает, что скорость зависит от напряжения питания V, сопротивления цепи якоря R _a и потока поля ϕ, который создается током возбуждения.

Состав:

Для управления скоростью двигателя постоянного тока учитывается изменение напряжения, сопротивления якоря и магнитного потока поля. Существует три основных метода управления скоростью двигателя постоянного тока.Они следующие.

• Изменение сопротивления в цепи якоря.
  Этот метод называется контролем сопротивления якоря или реостатическим контролем.
• Изменение магнитного потока поля
  Этот метод известен как Field Flux Control.
• Изменение приложенного напряжения
  Этот метод также известен как Контроль напряжения якоря.

Подробное описание различных методов управления скоростью приведено ниже.

Контроль сопротивления якоря двигателя постоянного тока

Параллельный двигатель

Схема подключения шунтирующего двигателя с методом контроля сопротивления якоря представлена ​​ниже. В этом методе в цепь якоря ставится переменный резистор R _e . Изменение переменного сопротивления не влияет на магнитный поток, поскольку поле напрямую подключено к питающей сети.

Токовая характеристика параллельного двигателя показана ниже.

Двигатель серии

Теперь рассмотрим схему подключения управления скоростью двигателя постоянного тока методом контроля сопротивления якоря.

Изменяя сопротивление цепи якоря, изменяются как ток, так и магнитный поток. Падение напряжения на переменном сопротивлении снижает приложенное к якорю напряжение и, как следствие, снижает скорость двигателя.

Токовая характеристика последовательного двигателя показана на рисунке ниже.

Когда значение переменного сопротивления Re увеличивается, двигатель работает с меньшей скоростью. Поскольку переменное сопротивление пропускает полный ток якоря, оно должно быть рассчитано на непрерывное протекание полного тока якоря.

Недостатки метода контроля сопротивления якоря

• Большое количество энергии теряется во внешнем сопротивлении Re.
• Управление сопротивлением якоря ограничено, чтобы поддерживать скорость ниже нормальной скорости двигателя, и увеличение скорости выше нормального этим методом невозможно.
• Для данного значения переменного сопротивления снижение скорости не является постоянным, а зависит от нагрузки двигателя.
• Этот метод управления скоростью используется только для небольших двигателей.

Метод управления магнитным потоком двигателя постоянного тока

Поток создается током возбуждения. Таким образом, регулирование скорости этим методом достигается за счет управления током возбуждения.

Параллельный двигатель

В шунтирующем двигателе переменный резистор R _C подключен последовательно с шунтирующими обмотками возбуждения, как показано на рисунке ниже.Этот резистор R _C известен как регулятор шунтирующего поля .

Шунтирующий ток возбуждения определяется уравнением, показанным ниже.

Подключение RC в поле уменьшает ток возбуждения, а значит, и магнитный поток. Это уменьшение магнитного потока увеличивает скорость, и, таким образом, двигатель работает со скоростью выше нормальной. Следовательно, этот метод используется для повышения скорости двигателя выше нормы или для коррекции падения скорости из-за нагрузки.

Кривая скорость-момент для параллельного двигателя показана ниже.

Двигатель серии

В последовательном двигателе изменение тока возбуждения выполняется одним способом, то есть либо с помощью дивертора, либо с помощью регулятора поля с отводом.

С помощью дивертора

Переменное сопротивление R _d подключено параллельно последовательным обмоткам возбуждения, как показано на рисунке ниже.

Параллельный резистор называется дивертером.Часть основного тока отводится через переменное сопротивление R _d . Таким образом, функция дивертора заключается в уменьшении тока, протекающего через обмотку возбуждения. Уменьшение тока возбуждения снижает величину магнитного потока и, как следствие, скорость двигателя увеличивается.

Полевое управление с отводом

Второй метод, используемый в последовательном двигателе для изменения тока возбуждения, — это регулирование поля с отводом. Схема подключения представлена ​​ниже.

Здесь ампер-витки меняются путем изменения числа витков поля.Такой тип устройства используется в системе электрической тяги. Скорость двигателя регулируется изменением потока поля. Ниже показана характеристика крутящего момента последовательного двигателя.

Преимущества управления магнитным потоком

Ниже приведены преимущества метода управления потоком поля.

• Метод простой и удобный.
• Поскольку поле шунта очень мало, потери мощности в поле шунта также невелики.

Обычно поток не может быть увеличен сверх его нормальных значений из-за насыщения железа. Поэтому управление скоростью потоком ограничивается ослаблением поля, которое дает увеличение скорости. Этот метод применим только в ограниченном диапазоне, потому что, если поле слишком ослаблено, возникает потеря стабильности.

Контроль напряжения якоря двигателя постоянного тока

В методе регулирования напряжения якоря регулирование скорости достигается путем изменения приложенного напряжения в обмотке якоря двигателя.Этот метод управления скоростью также известен как Метод Уорда Леонарда , который подробно обсуждается в разделе Метод Уорда Леонарда или Контроль напряжения якоря. Ссылка приведена ниже.

См. Также : Метод Уорда Леонарда для управления скоростью двигателя постоянного тока или управления напряжением якоря

,

No related posts.