Двигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, виды, управление

Электрика

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно двигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Простейший ДПТ состоит из следующих основных узлов:

  1. Две обмотки с сердечниками, соединенными последовательно. Эта конструкция располагается на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
  2. Два постоянных магнита повернуты разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу с неподвижным статором.
  3. Коллектор — две полукруглые изолированные пластины, расположенные на валу ДПТ.
  4. Два неподвижных контактных элемента (щетки) предназначены для передачи электрического тока через коллектор на обмотки возбуждения.

Схематическое изображение простейшего ДПТ
Рис. 1. Схематическое изображение простейшего двигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример является скорее рабочей моделью коллекторного двигателя. На практике такие устройства не используются. Проблема в том, что у этого двигателя очень маленькая мощность. Работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателей постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. Когда электрическая цепь замыкается, линии магнитного поля формируются под действием новой электромагнитной индукции.

Для возбуждения обмоток дросселя ДКП могут использоваться разные схемы соединения:

  • с независимым обмоткным возбуждением;
  • соединение параллельно обмоткам якоря;
  • варианты с последовательным возбуждением катушки ротора и статора;
  • смешанное соединение.

Схемы подключения хорошо видны на рисунке 2.

Схемы соединения обмоток статора
Рисунок 2. Схемы соединения обмоток статора DCT

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых будет использоваться двигатель постоянного тока. В частности, при необходимости уменьшить искрение коллектора применяют параллельное соединение. Для увеличения момента лучше использовать схемы с последовательным соединением обмоток.

Наличие высоких пусковых токов создает повышенную электрическую мощность при пуске двигателя. Этот метод подходит для двигателя постоянного тока, который интенсивно работает в течение короткого времени, например, для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреваться, поэтому их износ незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электродвигателя ротор состоит из двухотводного якоря на обмотке с четко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала двигателя.

Описываемое устройство имеет существенный недостаток: при прекращении вращения якоря его обмотки принимают устойчивое положение. Для перезапуска двигателя необходимо обеспечить определенный крутящий момент на валу.

Этого серьезного недостатка лишен якорь с тремя и более обмотками. На рис. 3 изображен трехобмоточный ротор, а на рис. 4 — якорь с большим количеством витков.

Ротор с тремя обмотками
Рисунок 3. Ротор с тремя обмоткамиЯкорь с большим количеством витков
Рисунок 4. Светильник с множеством обмоток

Такие роторы довольно распространены в небольших электродвигателях малой мощности.

Для построения мощных тяговых двигателей и повышения стабильности скорости вращения применяют якоря с большим числом обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Схема электродвигателя с многообмоточным якорем
Рис. 5. Схема электродвигателя с многообмоточным якорем

Коллектор

Если к клеммам обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность входного тока. Устройство, выполняющее функции коммутации тока для изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Простейший коллектор состоит из двух изолированных полукруглых пластин. Каждый из них в какой-то момент соприкасается с кистью, что снимает напряжение. Одна ламель всегда подключается к плюсу, а другая к минусу. При повороте вала на 180º коллекторные пластины меняются местами, в результате чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

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

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

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Принцип работы

Со школьной скамьи мы помним, что на провод с током, который лежит между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг провода по всей его длине образуется магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая сила «Ампер:

F=B×I×L, где B — величина магнитной индукции поля, I — сила тока, L — длина провода.

Вектор ампера всегда перпендикулярен линиям магнитного потока между полюсами. Схематически принцип работы показан на рис. 6.

Принцип работы ДПТ
Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника взять контурную рамку и подключить ее к источнику тока, то она повернется на 180º и остановится в положении, при котором результирующая сила будет равна 0. Попробуем толкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и попробуем еще раз: рамка сделала еще пол-оборота. Логично предположить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки на обмотках проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этого и был создан коллектор.

Схематически каждую обмотку якоря можно представить в виде отдельного контурного каркаса. Если обмоток несколько, то одна из них в каждый момент времени приближается к магниту статора и находится под действием плавающей силы. Таким образом поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие двигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции двигателя щеточного коллектора и по типу магнитной системы статора.

Давайте рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, в которых используются щеточно-коллекторные устройства, называются коллекторными. Они охватывают широкий спектр моделей электродвигателей. В конструкции предусмотрены двигатели, где используется до 8 щеточных коллекторов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подается непосредственно на обмотки статора. В этом варианте отпадает необходимость в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются посредством электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранен один из недостатков — искрообразование, что приводит к интенсивному износу пластин коллектора и щеток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные свойства ДПТ: простое управление, связанное с регулировкой скорости, высокий КПД и другие. Бесщеточные двигатели называются бесщеточными двигателями.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкции синхронных двигателей есть модели с постоянными магнитами и двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения. Довольно распространены серийные электродвигатели со статорами с потоком возбуждения обмотки. Они обеспечивают стабильную скорость вращения на валах, высокую номинальную механическую мощность.

Способы соединения обмоток статора были рассмотрены выше. Еще раз подчеркнем, что электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока зависят от выбора схемы подключения. Они отличаются последовательными обмотками и катушками с параллельным возбуждением.

Управление

Нетрудно понять, что если изменить полярность напряжения, изменится и направление вращения якоря. Это позволяет легко управлять электродвигателем, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента на валу. Мы видим прямую линию с отрицательным наклоном. Эта прямая линия выражает механическую характеристику двигателя постоянного тока. Для его построения выбирается определенное фиксированное напряжение, которое подается на возбуждение обмоток ротора.

Примеры механических свойств ДПТ
Примеры механических свойств ДПТ независимого возбуждения

Читайте также: Регулятор скорости своими руками – мастер класс своими руками, необходимые детали для самодельного устройства

Регулировочная характеристика

Такой же прямой линией, но с положительным наклоном, является график зависимости скорости якоря от напряжения питания. Это управляющая характеристика синхронного двигателя.

Построение заданного расписания осуществляется в конкретное время разработанной КДС.

Регулировочная характеристика ДПТ
Пример управляющей характеристики якорного электродвигателя

Благодаря линейности характеристик упрощается управление двигателями постоянного тока. Так как сила F пропорциональна току, изменяя ее величину, например, переменным сопротивлением, можно управлять параметрами электродвигателя.

Регулирование скорости вращения ротора легко осуществляется изменением напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов достигается устойчивый рост числа оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов замедлиться. Также в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которая может быть возвращена в электросеть.

Области применения

Перечислять все сферы применения электродвигателей можно бесконечно. Приведем лишь некоторые из них в качестве примера:

  • электрические бытовые и промышленные инструменты;
  • автомобильная промышленность — электростеклоподъемники, вентиляторы и другая автоматика;
  • трамваи, троллейбусы, электромобили, краны и другие механизмы, для которых важны высокие тяговые свойства.

Преимущества и недостатки

Преимущества включают в себя:

  • Линейная зависимость характеристик двигателей постоянного тока (прямые линии), что упрощает управление;
  • Легко регулируемая скорость;
  • хорошие стартовые свойства;
  • компактные размеры.

В асинхронных двигателях, которые являются двигателями переменного тока, добиться таких характеристик очень сложно.

Недостатки:

  • ограниченный ресурс коллектора и щеток;
  • дополнительная трата времени на профилактические работы, связанные с обслуживанием коллекторно-щеточных узлов;
  • ввиду того, что мы используем сети с переменным напряжением, возникает необходимость коррекции тока;
  • высокие затраты при производстве анкеров.

По перечисленным параметрам среди недостатков победителями являются модели асинхронных двигателей. Но во многих случаях использование двигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами
Схема коллекторного двигателя с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ) является наиболее распространенным среди КДПТ.

Индуктор этого двигателя включает в себя постоянные магниты, которые создают магнитное поле в статоре. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно применяются в задачах, не требующих большой мощности. КДПТ с ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. В этом случае момент КДПТ ПМ ограничивается полем постоянных магнитов статора.

КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко регулировать скорость двигателя. Недостатком двигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, что приводит к уменьшению поля статора и снижению производительности двигателя.

Преимущества:

  • лучшее соотношение цены и качества
  • высокий крутящий момент при низких оборотах
  • быстрая реакция на изменение напряжения

    Недостатки:

  • постоянные магниты теряют свои магнитные свойства со временем, а также под воздействием высоких температур

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

  • По схеме соединения обмоток статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения подразделяются на двигатели:
  • независимое возбуждение
  • последовательное возбуждение
  • параллельное возбуждение
  • смешанное волнение

Двигатель независимого возбуждения
Независимая схема возбужденияДвигатель с параллельным возбуждением
Параллельная цепь возбужденияСерийный намагничивающий двигатель
Цепь последовательного возбужденияДвигатель смешанного возбуждения
Смешанная схема возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В двигателях с независимым намагничиванием обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рис выше).

Обычно напряжение возбуждения UOB отличается от напряжения в цепи якоря U. При равенстве напряжений обмотка возбуждения включается параллельно обмотке якоря. Использование независимого или параллельного возбуждения при работе двигателя определяется схемой привода. Характеристики (характеристики) этих двигателей одинаковы 3.

В двигателях с параллельным намагничиванием токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме токов обмотки возбуждения и тока якоря. При нормальной работе напряжение питания увеличивает общий ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора.

С увеличением общего тока на двигатель увеличивается и скорость, а крутящий момент уменьшается. Когда двигатель нагружен, ток якоря увеличивается, что приводит к увеличению поля якоря. С увеличением тока якоря ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя и увеличению момента.

Преимущества:

  • почти постоянный крутящий момент на низких скоростях
  • хорошие свойства контроля
  • отсутствие потери магнетизма с течением времени (поскольку нет постоянных магнитов)

    Недостатки:

  • дороже КДПТ ПМ
  • двигатель выходит из-под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель с параллельным возбуждением имеет механическую характеристику уменьшения крутящего момента на высоких скоростях и высокий, но более постоянный крутящий момент на низких скоростях. Ток в обмотках индуктора и якоря не зависит друг от друга, поэтому полный ток двигателя равен сумме токов индуктора и якоря. В результате этот тип двигателя имеет отличные характеристики регулирования скорости.

Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением часто используется в приложениях, требующих мощности более 3 кВт, таких как автомобильные и промышленные приложения. По сравнению с КДПТ ПМ двигатель параллельного возбуждения не теряет со временем своих магнитных свойств и является более надежным. Недостатками двигателя с параллельным намагничиванием являются более высокие затраты и возможность выхода двигателя из-под контроля при падении тока дросселя до нуля, что, в свою очередь, может привести к отказу двигателя.

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (Iв=Iа), что придает двигателям особые характеристики. При малых нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (Iа < Iном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф ~ Iа), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:,

  • где М – крутящий момент электродвигателя, Н∙м,
  • сМ — постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
  • F – главный магнитный поток, Вб,
  • Ia — ток якоря, А.

При увеличении нагрузки магнитная система двигателя насыщается и нарушается пропорциональность между током Ia и магнитным потоком Ф. При значительном насыщении магнитный поток Ф практически не увеличивается с увеличением Ia. График зависимости M=f(Ia) в начальном участке (при ненасыщенной магнитной системе) имеет форму параболы, затем, при насыщении, отклоняется от параболы и в области больших нагрузок становится прямой 3.

Производительность серийного двигателя
Производительность серийного двигателя

Электромеханическая характеристика двигателя последовательного возбуждения
Электромеханические характеристики последовательного двигателя разрушают двигатель, поэтому на станциях с двигателями последовательного возбуждения недопустимо использование ременной передачи, при ее обрыве двигатель работает в холостом режиме. Исключение составляют двигатели последовательного возбуждения мощностью до 100-200 Вт, которые могут работать в режиме холостого хода, так как их мощность по механическим и магнитным потерям при высоких скоростях согласуется с номинальной мощностью двигателя.

Способность двигателей с последовательным возбуждением развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые характеристики.

  • Преимущества:
  • высокий крутящий момент при низких оборотах
  • отсутствие потери магнетизма с течением времени
  • Недостатки:
  • низкий крутящий момент на высокой скорости
  • дороже КДПТ ПМ
  • плохая регулировка скорости из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
  • двигатель выходит из-под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель с последовательным возбуждением имеет высокий крутящий момент на низких скоростях и развивает высокую скорость без нагрузки. Этот электродвигатель идеально подходит для приложений с высоким крутящим моментом (краны и лебедки), поскольку токи статора и ротора увеличиваются под нагрузкой. В отличие от КДПТ с ПМ и двигателями с параллельным намагничиванием, последовательный двигатель с намагничиванием не имеет точной характеристики регулирования скорости и в случае короткого замыкания обмотки намагничивания может стать неуправляемым.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно обмотке якоря, а другая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, другая обмотка — вспомогательной.

Обмотки возбуждения могут быть соединены между собой согласованно и счетно, и, следовательно, магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. При соответствующем соединении обмоток скоростные характеристики такого двигателя находятся между характеристиками параллельных и последовательных двигателей.

Противообмотки применяют, когда необходимо добиться постоянной скорости вращения или увеличения скорости вращения при увеличении нагрузки. Таким образом, характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения в зависимости от того, какая из обмоток возбуждения играет основную роль [4].

  • Преимущества:
  • хорошие свойства контроля
  • высокий крутящий момент при низких оборотах
  • меньше шансов выйти из-под контроля
  • отсутствие потери магнетизма с течением времени
  • Недостатки:
  • дороже других коллекторных двигателей

Двигатель со смешанным намагничиванием имеет рабочие характеристики двигателей с параллельным и последовательным намагничиванием. Он имеет высокий крутящий момент на низких скоростях, как двигатель с последовательным возбуждением, и хорошее регулирование скорости, как двигатель с параллельным возбуждением.

Двигатель смешанного возбуждения идеально подходит для автомобильного и промышленного применения (например, генераторы). Двигатель смешанного возбуждения с меньшей вероятностью выйдет из-под контроля, так как для этого параллельный ток возбуждения должен быть снижен до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть закорочена.

Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

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

Механические свойства коллекторных двигателей постоянного тока
Механические свойства коллекторных двигателей постоянного тока

Оцените статью
Блог про технические приборы и материалы