Меню

Машина постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов схема



Устройство и принцип работы двигателя на постоянных магнитах

Двигатели на протяжении многих лет используются для преобразования электрической энергии в механическую различного типа. Эта особенность определяет столь высокую его популярность: обрабатывающие станки, конвейеры, некоторые бытовые приборы – электродвигатели различного типа и мощности, габаритных размеров используются повсеместно.

магнитный двигатель

  • Устройство ↓
  • Принцип работы ↓
  • Виды ↓
  • Преимущества и недостатки ↓
  • Как сделать своими руками? ↓
  • Рекомендации ↓

Основные показатели работы определяют то, какой тип конструкции имеет двигатель. Существует несколько разновидностей, некоторые пользуются популярностью, другие не оправдывают сложность подключения, высокую стоимость.

Двигатель на постоянных магнитах используют реже, чем асинхронный вариант исполнения. Для того, чтобы оценить возможности этого варианта исполнения, следует рассмотреть особенности конструкции, эксплуатационные качества и многое другое.

Устройство

Электродвигатель на постоянных магнитах не сильно отличается по виду конструкции.

При этом, можно выделить следующие основные элементы:

  1. Снаружи используется электротехническая сталь, из которой изготавливается сердечник статора.
  2. Затем идет стержневая обмотка.
  3. Ступица ротора и за ней специальная пластина.
  4. Затем, изготовленные из электротехнической стали, секции редечника ротора.
  5. Постоянные магниты являются частью ротора.
  6. Конструкцию завершает опорный подшипник.

Как любой вращающийся электродвигатель, рассматриваемый вариант исполнения состоит из неподвижного статора и подвижного ротора, которые при подаче электроэнергии взаимодействую между собой. Отличие рассматриваемого варианта исполнения можно назвать наличие ротора, в конструкцию которого включены магниты постоянного типа.

Принцип работы

Принцип работы рассматриваемого варианта исполнения основан на создании центробежной силы за счет магнитного поля, которое создается при помощи обмотки. Стоит отметить, что работа синхронного электродвигателя схожа с работой трехфазного асинхронного двигателя.

К основным моментам можно отнести:

  1. Создаваемое магнитное поле ротора вступает во взаимодействие с подаваемым током на обмотку статора.
  2. Закон Ампера определяет создание крутящего момента, который и заставляет выходной вал вращаться вместе с ротором.
  3. Магнитное поле создается установленными магнитами.
  4. Синхронная скорость вращения ротора с создаваемым полем статора определяет сцепление полюса магнитного поля статора с ротором. По этой причине, рассматриваемый двигатель нельзя использовать в трехфазной сети напрямую.

В данном случае, нужно в обязательном порядке устанавливать специальный блок управления.

ротор

В зависимости от особенностей конструкции, существует несколько типов синхронных двигателей. При этом, они обладают разными эксплуатационными качествами.

По типу установки ротора, можно выделить следующие типы конструкции:

  1. С внутренней установкой – наиболее распространенный тип расположения.
  2. С внешней установкой или электродвигатель обращенного типа.

Постоянные магниты включены в конструкцию ротора. Их изготавливают из материала с высокой коэрцитивной силой.

Эта особенность определяет наличие следующих конструкций ротора:

  1. Со слабо выраженным магнитным полюсом.
  2. С ярко выраженным полюсом.

Кроме этого, конструкция ротора может быть следующего типа:

  1. Поверхностная установка магнитов.
  2. Встроенное расположение магнитов.

Кроме ротора, также следует обратить внимание и на статор.

По типу конструкции статора, можно разделить электродвигатели на следующие категории:

  1. Распределенная обмотка.
  2. Сосредоточенная обмотка.

По форме обратной обмотке, можно провести нижеприведенную классификацию:

  1. Синусоида.
  2. Трапецеидальная.

Подобная классификация оказывает влияние на работу электродвигателя.

Преимущества и недостатки

Рассматриваемый вариант исполнения имеет следующие достоинства:

  1. Оптимальный режим работы можно получить при воздействии реактивной энергии, что возможно при автоматической регулировке тока. Эта особенность обуславливает возможность работы электродвигателя без потребления и отдачи реактивной энергии в сеть. В отличие от асинхронного двигателя, синхронный имеет небольшие габаритные размеры при той же мощности, но при этом КПД значительно выше.
  2. Колебания напряжения в сети в меньшей степени воздействую на синхронный двигатель. Максимальный момент пропорционален напряжению сети.
  3. Высокая перегрузочная способность. Путем повышения тока возбуждения, можно провести значительное повышение перегрузочной способности. Это происходит на момент резкого и кратковременного возникновения дополнительной нагрузки на выходном валу.
  4. Скорость вращения выходного вала остается неизменной при любой нагрузке, если она не превышает показатель перегрузочной способности.

К недостаткам рассматриваемой конструкции можно отнести более сложную конструкцию и вследствие этого более высокую стоимость, чем у асинхронных двигателей. Однако в некоторых случаях, обойтись без данного типа электродвигателя невозможно.

Как сделать своими руками?

самодельный магнитный двигатель

Провести создание электродвигателя своими руками можно только при наличии знаний в области электротехнике и наличия определенного опыта. Конструкция синхронного варианта исполнения должна быть высокоточной для исключения возникновения потерь и правильности работы системы.

самодельный магнитный двигатель

Зная то, как должна выглядеть конструкция, проводим следующую работу:

  1. Создается или подбирается выходной вал. Он не должен иметь отклонений или других дефектов. В противном случае, возникающая нагрузка может привести к искривлению вала.
  2. Наибольшей популярностью пользуются конструкции, когда обмотка находится снаружи. На посадочное место вала устанавливается статор, который имеет постоянные магниты. На валу должно быть предусмотрено место для шпонки для предотвращения прокручивания вала при возникновении серьезной нагрузки.
  3. Ротор представлен сердечником с обмоткой. Создать самостоятельно ротор достаточно сложно. Как правило, он неподвижен, крепится к корпусу.
  4. Механической связи между статором и ротором нет, так как в противном случае, при вращении будет создавать дополнительная нагрузка.
  5. Вал, на котором крепится статор, также имеет посадочные места для подшипников. В корпусе имеется посадочные места для подшипников.

Электродвигатели имеют сложную конструкцию, питание от сети 220 Вольт обуславливает соблюдение определенных норм при их создании. Именно поэтому, для того, чтобы быть уверенным в надежной работе подобного механизма, следует покупать варианты исполнения, созданные на заводах по выпуску подобного оборудования.

В научных целях, к примеру, в лаборатории для проведения испытаний по работе магнитного поля часто создают собственные двигатели. Однако они имеют небольшую мощность, питаются от незначительно напряжения и не могут быть применены в производстве.

Рекомендации

двигатель на постоянных магнитах

Выбор рассматриваемого электродвигателя следует проводить с учетом следующих особенностей:

  1. Мощность – основной показатель, который влияет на срок службы. При возникновении нагрузки, которая превосходит возможности электродвигателя, он начинает перегреваться. При сильной нагрузке, возможно искривление вала и нарушение целостности других компонентов системы. Поэтому следует помнить о том, что диаметр вала и другие показатели выбираются в зависимости от мощности двигателя.
  2. Наличие системы охлаждения. Обычно особого внимания на то, как проводится охлаждение, никто не уделяет. Однако при постоянной работе оборудования, к примеру под солнцем, следует задуматься о том, что модель должна быть предназначена для продолжительной работы под нагрузкой при тяжелых условиях.
  3. Целостность корпуса и его вид,год выпуска – основные моменты, на которые уделяют внимание при покупке двигателя бывшего употребления. Если имеются дефекты корпуса, велика вероятность того, что конструкция имеет повреждения и внутри. Также, не стоит забывать о том, что подобное оборудование с годами теряет свой КПД.
  4. Особое внимание нужно уделятькорпусу, так как в некоторых случаях можно провести крепление только в определенном положении. Самостоятельно создать посадочные отверстия, приварить уши для крепления практически невозможно, так как нарушение целостности корпуса не допускается.
  5. Вся информация об электродвигателе находится на пластине, которая прикрепляется к корпусу. В некоторых случаях, есть только маркировка, по расшифровке которой можно узнать основные показатели работы.
Читайте также:  Схемы стабилизаторов тока до 10а

В заключение отметим, что многие двигатели, которые были произведены несколько десятилетий назад, зачастую проходили восстановительные работы. От качества проведенной восстановительной работы зависят показатели электродвигателя.

Источник

Двигатель с возбуждением от постоянных магнитов

В схемах автоматики применяются двигатели различных типов с постоянными магнитами(СДМП), различающихся способами пуска, конструктивным исполнением, способом питания обмоток статора и.т.д.

В зависимости от взаимного расположения на роторе магнитов и короткозамкнутой обмотки СДМП подразделяют на двигатели с радиальным, аксиальным и тангенциальным расположением системы возбуждения и пускового устройства.

Конструкция статора СДПМ всех типов такая же, как и у обычных машин переменного тока.

На рисунке 3.3.1 изображены конструкции роторов с радиальным расположением постоянных магнитов:

Конструкции роторов с радиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства:

а — со звездообразным магнитом; б – с мостиком насыщения; в – с ромбовидным магнитным валом

1- постоянные магниты

2 –короткозамкнутая обмотка

3 – полюсные обмотки

Обмотка ротора выполняется из медных стержней и образует мощную демпферную клетку, которая защищает магниты от размагничивания ударным током короткого замыкания в момент подключения двигателя к сети.

Конструкция СДПМ с мостиком насыщения (δ) улучшает пусковые свойства и обеспечивает получение монолитной, механически прочной и технологичной конструкции. Она применяется в СДПМ малой мощности при высоких частотах вращения.

В магнитных системах со звездообразными магнитами не удается полностью использовать магнитные свойства анизотропных материалов. Поэтому при применении высококоэрцитивных сплавов со столбчатой структурой магниты выполняются из отдельных брусков, прилегающих к ромбовидному валу.

Конструкция ротора с аксиальным расположением постоянных магнитов 1и короткозамкнутой обмотки 2, представленная на рис. 3.3.2, а, применяется при часто встречающихся на практике ограничениях по внешнему диаметру двигателя, когда выполнение лучшей в электромагнитном отношении радиальной конструкции затруднительно. Для обеспечения надежного пуска магниты при аксиальной конструкции занимают 0,2 – 0,3 длины сердечника статора.

Рис.3.3.2. Конструкция роторов с аксиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства:

а – с одним торцевым магнитом; б – с двумя торцевыми магнитами; в – с двумя пусковыми клетками

Из–за малой магнитной проницаемости магнитов поток статора сосредоточен в зоне короткозамкнутого ротора, поэтому индуктивные сопротивления реакции якоря по осям отличаются незначительно. Это позволяет рассматривать данную конструкцию как неявнополюсную.

Достоинством аксиальной конструкции роторов является её технологичность. Короткозамкнутая обмотка может выполняться как из медных стержней, так и алюминиевой, литой. Кроме того, может быть выполнен скос пазов, чтобы уменьшить влияние зубцов гармоник.

Двигатели с тангенциальным расположением на роторе постоян­ных магнитов 1 и пускового устройства 2(рис. 3.3.3, а),называемые иногда двигателями с ротором коллекторного типа, применяются в многополюсных системах в целях концентрации магнитного пото­ка соседних магнитов 1 в полюсах-сегментах 3. Клиновидные полю­сы 3ротора изготовлены из магнитомягкой стали. Стержни пускового устройства 2вместе с короткозамыкающими кольцами обеспечивают монолитность и механическую прочность ротора. Для уменьшения потока рассеяния магниты отделены от вала немагнитной втулкой 4.

Рис.3.3.3. Конструкции роторов коллекторного(а) и с тангенсально-ра диальными намагниченными магнитами(б)

Недостатки роторов коллекторного типа являются: сложность конструкции, малая доля магнитов в объеме ротора, наличие паразитных воздушных зазоров между магнитами и сегментами полюсов.

Разновидностью ротора коллекторного типа являются конструкция, показанная на рисунке 3.3.3, б. Здесь для увеличения рабочего потока кроме тангенсально-намагниченных магнитов 1 установлены магниты 2, намагниченные в радиальном направлении. Общим недостатком представленных на рисунке 3.3.3 конструкций являются усложнение технологии сборки роторов.

Основные уравнения СДПМ в рабочем режиме, если учесть, что в относительных единицах и

Принимая во внимание основные гармонические составляющие токов и напряжений и заменяя их амплитудные значения действующими, уравнение равновесия напряжений на пространственно-временной комплексной плоскости представляются в виде:

Заметим, что уравнение (3.3.2) справедливо как в относительных, так и абсолютных единицах. Этому уравнению соответствует векторная диаграмма на рисунке 3.3.4

Составляющие тока якоря по осям d, q:

где — степень возбужденности СДПМ полем постоянных магнитов.

Действующее значение фазового тока обмотки якоря:

Мощность потребляемая СДПМ из сети:

Вращающий электромагнитный момент, действующий на ротор в синхронном режиме:

Электромагнитный КПД (без учета потерь в стали и механических потерь) и коэффициент мощности:

Выражения 3.3.3 — 3.3.7 позволяют рассчитывать и исследовать рабочие характеристики СДПМ.

Угловая характеристика СДПМ:

Рис. 3.3.7. Угловая характеристика СДПМ

Рис3.3.8. Угловая характеристика слабовозбужденного явнополюсного СДПМ

На рисунке 3.3.7. показана угловая характеристика СДПМ радиальной конструкции при . Из рисунка видно, что максимум результирующего момента СДПМ, в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением, имеет место при углах нагрузки . Максимальный синхронизирующий момент равен максимально допустимому моменту нагрузки (моменту выхода из синхронизма) и характеризует перегрузочную способность СДПМ. В современных СДПМ радиальной конструкции .

При малой степени возбуждения СДПМ и значительной разности индуктивных сопротивлений реакции якоря по осям d, q реактивный момент становится соизмеримым с основным моментом. В этом случае в зоне отрицательных значений угла нагрузки появляется зона двигательного режима (рис.3.3.8) и при небольшой нагрузке двигатель может устойчиво работать на участке А – В угловой характеристики. Точки А, С характеризуют такие режимы, когда составляющие электромагнитного момента и уравновешивают друг друга. Значение углов, при которых + =0, можно найти из выражения(3.3.6), из которого следует, что при , . Используя (3.3.3):

Существование двух зон двигательного режима отрицательно сказывается на рабочих свойствах СДПМ, так как СДПМ утрачивает свойство синфазности (ротор может засинхронизироваться либо на участке А – В, либо на участке

С – D угловой характеристики) и имеет низкие энергетические показатели при работе на участке А – В.

Критерием отсутствия двигательного режима в зоне отрицательных углов является условие: где полные индуктивные сопротивления якоря:

, где индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря; коэффициент удельной проводимости для потокосцепления рассеяния обмотки якоря.

Описанное явление отсутствует в СДПМ аксиальной конструкции, для которой .

Пуск СДПМ осуществляется путем непосредственного включения в сеть обмотки статора. Под действием асинхронного момента, возникающего при взаимодействии вращающегося поля якоря с наведенными ими токами в короткозамкнутой обмотке ротора, двигатель разгоняется до подсинхронной скорости. Переход к синхронной частоте вращения происходит за счет действия синхронизирующего момента за короткое время. Синхронизирующий момент действует на ротор в течение всего пуска, но из-за инерционности и большой скорости поля статора, он является пульсирующим, Поэтому в СДПМ необходима пусковая клетка, иначе средний синхронизирующий момент за один оборот будет равен нулю.

Пуск СДПМ происходит при постоянно ‘’включенном возбуждении’’ и пусковой режим может быть представлен в виде суммы 2-х режимов:

Читайте также:  Электрическая цепь переменного тока с резистором

1) асинхронного режима невозбужденной синхронной машины, питающейся от сети с напряжением U;

2) генераторного режима возбужденной синхронной машины, включенной в сеть, напряжение которой равно нулю.(режим короткого замыкания синхронного генератора при переменной скорости ротора)

Механические характеристики СДПМ в пусковом режиме показаны на рис. 3.3.9

Результирующий ток якоря:

усредненные параметры СДПМ по осям d, q.

ток якоря 1-го режима

ток якоря 2-го режима

В результате взаимодействия вращающегося статора, созданного токами , с наведенными им токами в пусковой обмотке образуется асинхронный (двигательный) электромагнитный момент:

(3.3.10)

В результате взаимодействия поле возбуждения с наведенными токами якоря образуется генераторный (тормозной) момент.

Средний результирующий момент СДПМ в асинхронном режиме:

Как видно из рисунка 3.3.9, пусковые свойства СДПМ определяются не только соотношением, но и характером изменения двигательного и тормозного моментов. — критическое скольжение максимального двигательного момента. Максимальный двигательный момент не зависит от активного сопротивления обмотки ротора.

Тормозной момент пропорционален квадрату ЭДС, наведенной полем магнитов. Его максимальное значение не зависит от активного сопротивления обмотки статора и имеет место при критическом скольжении . Из кривых видно, что тормозной момент вызывает провал в пусковой характеристике и снижает крутизну момента при подсинхронной частоте вращения (в зоне малых скольжений). Поэтому в СДПМ малой мощности для обеспечения надежного пуска степень возбужденности принимают небольшой (0,2…0,5).

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

Источник

Машина постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов схема

Машиной постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, называется такой двигатель постоянного тока, в котором вращающееся магнитное поле образуется от постоянных магнитов. Отличительной особенностью ДПТ на постоянных магнитах от ДПТ с электромагнитным возбуждением является устройство магнитной системы. Такие электродвигатели так же называется «высокомоментными», позволяющие получать огромные крутящие моменты без промежуточных передач (редуктора), выдерживать перегрузки (20-50 кратный номинальному) при малых оборотах.

Исполнения магнитных систем двигателя постоянного тока на постоянных магнитах бывают:

1) радиальное расположение магнитов с полюсными наконечниками и без (см. рисунок 2,3) – целесообразно в многополюсных машинах, где число пар полюсов 2р>4. Однако, малая длина магнитов вдоль линий магнитного поля заметно усиливает размагничивающее действие магнитодвижущей силы (МДС) якоря. Для ослабления данного действия применяют полюсные наконечники (из магнитно-мягкого материала) как на рисунке 3, и к тому же изготовлять магниты из материала который имеет большую коэрцитивную силу (ферритбариевый магнит).

2) тангенциально расположенные магниты (рисунок 4) – применяют когда число пар полюсов 2р=2, такому расположению магнитов характерна большая длина, а отсюда и площадь в направлении намагничивания.

3) магниты расположенные «кольцом» (рисунок 5) – кольцо из магнито-твердого материала образует собой намагничивание.

Постоянные магниты идентичны как в ДПТ на постоянных магнитах, так и на синхронных машинах с постоянными магнитами.

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами нашли широкое применение в маломощных приводах автомобилестроения, авиастроения, а так же в различных системах автоматики. Двигатели используются в кратковременных и повторно-кратковременных циклах роботы. Частоту вращения двигателей можно изменить регулированием напряжения якоря.

Проектировка двигателя постоянного тока на постоянных магнитах очень кропотлива, в ней приходится учитывать влияние МДС якоря.

Преимущества в сравнении с ДПТ от электромагнитного возбуждения:

Недостатки в сравнении с ДПТ от электромагнитного возбуждения:

Источник

Электрический двигатель постоянного тока

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:

Схематическое изображение простейшего ДПТ

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

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

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.

Схемы подключения обмоток статора

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.

Читайте также:  Характеристика кабелей при постоянном токе

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.

Ротор с тремя обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 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.

Схема электромотора с многообмоточным якорем

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

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

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

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Принцип работы ДПТ

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

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.

Регулировочная характеристика 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.

Видео в дополнение к написанному



Источник