Электродвигатель постоянного тока

Электродвигатель — это двигатель, служащий для преобразования электрической энергии в механическую.

Основная часть электродвигателя — это контур (рамка, катушка) с током, расположенный в сильном магнитном поле (рис. 1). На контур в магнитном поле действует вращающий момент, в результате чего контур поворачивается и останавливается в положении равновесия, т.е. в положении, в котором его магнитный момент направлен параллельно магнитной индукции (плоскость контура перпендикулярна линиям индукции магнитного поля).

Если при прохождении контура через положение равновесия направление тока изменится на противоположное, то изменится и направление магнитного момента. Пройдя по инерции положение равновесия, контур сделает еще пол-оборота. Если периодически изменять направление тока, то контур придет во вращательное движение. Изменение направления тока осуществляется автоматически с помощью устройства, которое называется коллектором. Коллектор состоит из двух металлических полуцилиндров, к которым присоединены концы контура. Через них и скользящие контакты (щетки) контур присоединяют к источнику тока.

Наибольший момент действует на контур, плоскость которого параллельна магнитной индукции . Следовательно, если расположить два контура перпендикулярно друг к другу и вывести их концы на четверть-кольцевой коллектор (рис. 2), то вращающий момент резко возрастет и увеличится плавность хода подвижной части двигателя (ротора).

В промышленных двигателях магнитное поле создается обмоткой электромагнита; в роторе делают пазы, в которые укладывают много витков одной секции (вместо рамки); различные секции уложены под углом друг к другу, и их концы выведены на противоположные бока коллектора, к которому прижимаются щетки, соединенные с источником тока. От источника тока напряжение подается в электромагниты статора (неподвижной части двигателя). По каждой секции идет ток только тогда, когда ее пластины касаются щеток, т.е. когда плоскость этой секции параллельна вектору магнитной индукции. При этом секции поочередно создают самый большой вращающий момент.

Магнит или электромагнит, который создает магнитное поле, называют часто индуктором, а рамку (обмотку), через которую пропускают электрический ток, — якорем.

Основной рабочей характеристикой электродвигателя является вращающий момент М, создаваемый на валу двигателя силой Ампера, действующей на обмотки якоря:

где I — сила тока в обмотке, В — индукция магнитного поля, l — длина проводника, r — радиус ротора, N — число витков в обмотке.

Такие двигатели постоянного тока используют на транспорте (в электровозах, трамваях, троллейбусах), на подъемных кранах, во многих бытовых электрических устройствах (электробритвы, магнитофоны и др.).

С помощью электродвигателя постоянного тока — стартера — осуществляется запуск двигателя автомобиля.

Назначение и принцип работы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока – это электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения.

Электродвигатели служат для привода в движение различных механизмов: закрылки, предкрылки, топливные насосы, пушечное вооружение и т.д.

Под действием приложенного напряжения по секции ОЯ потечет ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем полюсов приводит к возникновению выталкивающей -электромагнитной силы (F_эм), действующей на проводники обмотки ротора(Согласно закону Ампера)

. ,

где В — магнитная индукция в зазоре — величина постоянная; N — число витков рамки.

Читать еще: Что означает параметр нагрузка на двигатель

Пара сил, действующих на рамку, создает вращающий момент

где b — ширина рамки.

Работа простейшей машины постоянного тока в режиме:

а) генератора; б) двигателя.

Т.О. Если момент М_эм, создаваемый двигателем превысит моменты всех сил сопротивления М₁, то якорь придет во вращение в направлении действия электромагнитных сил. Момент двигателя в отличие от момента генератора является движущим и действует в направлении вращения (рис.,б).

Направление силы F_эм определяется правилом левой руки.

Если расположить левую руку так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, четыре вытянутые пальца показывали направление тока в проводнике, то отогнутый (на 90 0 ) большой палец покажет направление электромагнитной силы, действующей на проводник.

Щеточно-коллекторный узел в двигателе предназначен для преобразования постоянного тока внешнего источника в переменный и передаче его на обмотку якоря.

Величина вращающего электромагнитного момента, действующего на ротор, определяется по формуле:

где I_я – ток, протекающий по обмотке якоря; Ф – магнитный поток полюсов; С_м – конструктивный коэффициент (постоянная машины).

При вращении обмотки якоря в магнитном поле полюсов, в ней наводится ЭДС (как в генераторе), направление которой определяется по правилу правой руки и, в следствии этого, противоположно направлению тока в обмотке якоря, В связи с этим она носит название противо-ЭДС, а определяется как и для генератора по уравнению (7.1).

Уравнение электрического равновесия двигателя (уравнение двигателя) имеет вид:

\|	следующая лекция ==>
Эксплуатационные характеристики генераторов постоянного тока (характеристика ХХ, внешняя и регулировочная характеристики)	\|	Пуск и механические характеристики двигателя постоянного тока

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Электродвигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока – это первая из изобретенных электрических машин, которая преобразует энергию постоянного магнитного поля во вращательное движение. Они обладают большим КПД, чем асинхронные двигатели переменного тока, менее чувствительны к перегрузкам и легко управляются – реверсируюся, ускоряются, замедляются. А возможность уменьшить их размеры до буквально микроскопических предопределило их широкое распространение.

Как работает

Принцип работы электродвигателя, питающегося постоянным током, основан на принципе отталкивания одноименных полюсов магнита. Если свернутый в кольцо проводник подключить к источнику постоянного тока и поместить его между полюсами постоянного магнита, то он повернется на один оборот. Так, чтобы их одноименные полюса совпали.

Этому феномену дал объяснение и математическое обоснование французский физик Андре-Мари Ампер. Вкратце он объясняется правилом левой руки: если открытую ладонь обратить к отрицательному полюсу магнита, так, чтобы четыре пальца показывали направление движения тока по проводнику, то большой палец укажет направление, в котором его вытолкнет магнитное поле.

Чтобы движение продолжилось, в момент совпадения полюсов должно произойти изменение их знаков. Для этого используется до гениальности простое устройство – коллектор. Он состоит из изолированных друг от друга пластин, закрепленных на валу электродвигателя. Концы кольца проводника, образующего якорную обмотку, подключены к нему неподвижно. А питающее напряжение – посредством скользящих контактов, которые изначально делали из пучка тонких проводников, поэтому их назвали щетками. В момент поворота рамки с током происходит смена полярности, и она продолжает движение, отталкиваясь от неподвижного полюса магнита. Вот зачем нужны щетки в электродвигателе постоянного тока и почему его второе название «коллекторный двигатель».

Читать еще: Что такое крутящий момент двигателя определение

Если якорная обмотка состоит из одной рамки, то она не сможет начать вращаться, если находится на магнитной нейтрали – перпендикулярно линии электромагнитного поля. Для запуска двигателя придется приложить усилие к его валу. Для ликвидации этого эффекта используется две якорные обмотки, но общераспространенным правилом является применение минимум трех.

Итак, конструкция любого двигателя постоянного тока состоит из трех элементов:

Неподвижного магнита на статоре.
Ротора с тремя или большим числом обмоток.
Щеточного узла, к которому подводится питающее напряжение.

Статорный магнит может быть выполнен как из ферромагнетика, так и в виде нескольких катушек, подключенных к тому же источнику электричества, что и щеточный узел. Тогда он называется обмоткой возбуждения. Для плавности хода на статоре устраивается как минимум четыре соленоида, образующих два электромагнита.

Скользящие проволочные контакты на коллекторе сначала заменили щетки угольные, а потом более прочные, сделанные из электротехнического графита. Количество коллекторных пластин зависит от способа укладки якорных обмоток, который может быть петлевым, волновым или секционным. Однако оно ограничивается диаметром коллектора и физической толщиной щетки – одновременно она не должна перекрывать более двух пластин. В противном случае уменьшается число обмоток, участвующих в коммутации – переключении полюсов, что ведет к снижению вращающего момента двигателя.

Схемы подключения и способы управления

Существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

Обмотка возбуждения включена параллельно якорной. Обеспечивается высокая стабильность частоты вращения.
Обмотка возбуждения включена последовательно с якорной. Способ позволяет регулировать вращающий момент во время пуска и получать плавную скоростную характеристику. Поэтому он используется для включения тяговых электродвигателей на транспорте.
Обмотка возбуждения делится на две – одна включена параллельно с якорной, другая последовательно с ней.

Частота вращения двигателя постоянного тока с независимой (параллельной обмоткой) вычисляется по формуле: N = (U – I_я . R_я)/(k_c . Ф). Где:

U – величина питающего напряжения.
I_я и R_я – ток в цепи якоря и ее сопротивление.
k_c – коэффициент качества магнитной системы.
Ф – сила магнитного потока.

Изменить ее можно тремя способами:

Увеличить или уменьшить величину питающего напряжения. Возможно как ускорение, так и замедление двигателя. Регулировка количества оборотов осуществляется плавно.
Изменить сопротивление цепи якоря. Регулировка ведется дискретно, в сторону уменьшения, но не более чем до половины номинальных оборотов. Способ связан с большими энергетическими потерями.
Изменить сопротивление цепи обмотки возбуждения. Это приводит к изменению силы магнитного потока. Чем меньше ток, тем он слабее, а частота вращения выше. Теоретически возможно торможение, но на практике, из-за насыщения магнитной системы, увеличение силы тока непропорционально велико по отношению к величине приращения силы магнитного потока. Это может привести к аварии. Однако и чрезмерное ослабление тока в обмотке возбуждения вредно – машина пойдет вразнос.

Читать еще: Что появилось раньше двигатель внутреннего сгорания

Реверсирование осуществляется изменением полярности напряжения, подаваемого на якорь.

Коллекторный двигатель переменного тока

Материал и способ исполнения обмоток коллекторного двигателя аналогичен тем, которые используются в асинхронных машинах. Поэтому его подключение к переменному току не вызывает аварии. Чтобы вращение продолжалось в одну сторону, обмотки якоря и статора включаются последовательно, тогда смена полярности полюсов магнитов происходит одновременно.

Такая конструкция широко используется в ручном инструменте, подключаемом к однофазной сети 220 вольт. Она обладает рядом преимуществ перед асинхронным двигателем:

Нет необходимости создавать вращающееся магнитное поле, подключение в сеть происходит напрямую, без фазосдвигающих устройств.
Поскольку магнитные поля ротора и статора вращаются синхронно, момент на валу двигателя очень высок, он устойчиво работает при переменных нагрузках.
Просто регулировать частоту вращения.

К недостаткам коллекторного двигателя стоит отнести щеточный узел, из-за которого работа сопровождается шумом, искрением и радиопомехами.

Двигатели постоянного тока – это уникальные электрические машины, находящие применение повсеместно. Они работают в системах охлаждения компьютеров, приводят в движение электровозы, ледоколы и подводные лодки.

Что такое двигатель постоянного тока и как он устроен

Хотя и AC, и DC-двигатели выполняют одну и ту же функцию преобразования электрической энергии в механическую энергию, они питаются, строятся и управляются по-разному. Самое основное отличие — источник питания. Электродвигатели переменного тока питаются от переменного тока (AC), в то время как двигатели постоянного тока питаются от постоянного тока (DC), таких как батареи, источники питания постоянного тока или преобразователь питания AC-DC. Электродвигатели с намоточным полем постоянного тока сконструированы с помощью щеток и коммутатора, которые добавляют к техобслуживанию, ограничивают скорость и обычно сокращают срок службы мостовых двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели переменного тока не используют щетки; Они очень прочные и имеют долгую продолжительность жизни. Конечным основным отличием является контроль скорости. Скорость двигателя постоянного тока регулируется путем изменения тока обмотки якоря, в то время как скорость двигателя переменного тока регулируется путем изменения частоты, которая обычно выполняется с помощью регулятора частоты вращения.