Машина постоянного тока устройство и принцип действия. Машина постоянного тока: устройство, принцип действия и виды

Как устроена машина постоянного тока. Каков принцип ее действия. Какие бывают виды машин постоянного тока. На чем основана работа генератора и двигателя постоянного тока.

Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей:

• Статор (неподвижная часть)
• Ротор (вращающаяся часть, якорь)

Статор включает в себя:

• Станину
• Главные полюса с обмотками возбуждения
• Добавочные полюса
• Подшипниковые щиты

Ротор (якорь) состоит из:

• Сердечника якоря
• Обмотки якоря
• Коллектора
• Вала

Важным элементом машины постоянного тока является щеточно-коллекторный узел, обеспечивающий электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с внешней цепью.

Принцип действия машины постоянного тока

Принцип действия машины постоянного тока основан на двух фундаментальных законах электромагнетизма:

1. Закон электромагнитной индукции
2. Закон электромагнитного взаимодействия

В генераторном режиме при вращении якоря в магнитном поле статора в обмотке якоря индуцируется ЭДС. Коллектор выпрямляет переменную ЭДС, обеспечивая постоянное напряжение на выходе генератора.

В двигательном режиме при подаче напряжения на якорь по его обмотке протекает ток. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий якорь во вращение.

Виды машин постоянного тока

По способу возбуждения машины постоянного тока делятся на следующие виды:

• С независимым возбуждением
• С параллельным возбуждением
• С последовательным возбуждением
• Со смешанным возбуждением

По назначению различают:

• Генераторы постоянного тока
• Двигатели постоянного тока

По мощности выделяют:

• Микромашины (до 0,5 кВт)
• Машины малой мощности (0,5-10 кВт)
• Машины средней мощности (10-200 кВт)
• Машины большой мощности (свыше 200 кВт)

Принцип работы генератора постоянного тока

Работа генератора постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Основные этапы преобразования энергии:

1. Создание магнитного поля обмоткой возбуждения
2. Вращение якоря внешним приводом
3. Индуцирование ЭДС в обмотке якоря
4. Выпрямление ЭДС с помощью коллектора
5. Съем выпрямленного напряжения с помощью щеток

ЭДС генератора прямо пропорциональна магнитному потоку и частоте вращения якоря:

E = c * n * Ф

где c — конструктивная постоянная машины, n — частота вращения, Ф — магнитный поток.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Работа двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитного взаимодействия. Основные этапы преобразования энергии:

1. Создание магнитного поля обмоткой возбуждения
2. Подача напряжения на обмотку якоря
3. Протекание тока по обмотке якоря
4. Возникновение электромагнитных сил
5. Создание вращающего момента на валу

Вращающий момент двигателя прямо пропорционален магнитному потоку и току якоря:

M = c * Ф * Iя

где c — конструктивная постоянная, Ф — магнитный поток, Iя — ток якоря.

Характеристики машин постоянного тока

Основные характеристики машин постоянного тока:

• Характеристика холостого хода
• Внешняя характеристика
• Регулировочная характеристика
• Механическая характеристика
• Рабочие характеристики

Характеристики отражают зависимости между основными параметрами машины (напряжение, ток, частота вращения и др.) в различных режимах работы.

Преимущества и недостатки машин постоянного тока

Преимущества машин постоянного тока:

• Высокий пусковой момент
• Плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне
• Высокое быстродействие
• Линейность механических характеристик

Недостатки машин постоянного тока:

• Наличие щеточно-коллекторного узла
• Сложность конструкции
• Высокая стоимость
• Необходимость регулярного обслуживания

Несмотря на недостатки, машины постоянного тока широко применяются в промышленности благодаря своим уникальным свойствам.

Применение машин постоянного тока

Основные области применения машин постоянного тока:

• Электротранспорт (электровозы, трамваи, троллейбусы)
• Металлургическая промышленность
• Станкостроение
• Робототехника
• Подъемно-транспортные механизмы
• Электропривод прокатных станов
• Сварочные генераторы

Генераторы постоянного тока используются для питания устройств, требующих постоянного тока, например, в гальванических производствах.

Перспективы развития машин постоянного тока

Основные направления совершенствования машин постоянного тока:

• Применение новых магнитных материалов
• Использование полупроводниковых коммутаторов вместо щеточно-коллекторного узла
• Разработка гибридных конструкций
• Внедрение цифровых систем управления
• Повышение энергоэффективности

Несмотря на конкуренцию со стороны машин переменного тока, машины постоянного тока продолжают совершенствоваться и находить новые области применения.

виды и принцип их работы

Машины постоянного тока представляют собой возвратную электрическую машину, в которых происходит процесс преобразования энергии. В машинах, где механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами. Они предназначены для выработки электроэнергии. Для работы необходимо наличие какого-либо двигателя (дизеля, паровой или водяной турбины), который будет вращать вал генератора.

Обратное преобразование энергий происходит в электродвигателях. Они приводят в движение колесные пары локомотивов, вращают валы вентиляторов и т.д. Для работы необходимо подсоединение электродвигателя с источником электроэнергии посредством проводов.

Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.

Эти машины включают в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.

Вращающаяся часть, или ротор, в электрических машинах постоянного тока именуются якорем. Якорь, снабженный коллектором, в электродвигателях играет роль преобразователя частоты, а в генераторах – выпрямителя.

При вращении машины происходит перемещение якоря и статора относительно друг друга. Статор создает магнитное поле, а в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Возникает ток, который при воздействии с магнитным полем создает электромагнитные силы, отвечающие за процесс преобразования энергии.

Электрические машины постоянного тока в зависимости от наличия или отсутствия коммутации бывают обычными и униполярными, а по расположению вала — вертикальными и горизонтальными.

По типу переключателей тока их можно подразделить на машины с щеточно-коллекторным и электронным переключателем. Последние называются еще вентильными электродвигателями.

По мощности они делятся на микромашины мощностью до 0,5 кВт, а также, машины малой, средней и большой мощности — 0,5-10 кВт, 10-200 кВт и более 200 кВт соответственно.

По частоте вращения различают тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300-500 об/мин), быстроходные (1500-6000 об/мин) и сверхбыстроходные (более 6000 об/мин) электрические машины постоянного тока.

Принцип действия, устройство электрических машин постоянного тока

По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Несмотря на большое разнообразие конструкций, общие принципы работы электрических машин одинаковы. Все современные электрические машины работают на основе явлений электромагнитной индукции.

Постоянным называется ток, протекающий по проводнику только в одном направлении. Получение постоянного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока путем его выпрямления при помощи специальных устройств-выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

Простейший генератор постоянного тока (рис. 168, а и б) имеет полюсы электромагнита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и Б, вращающимся вместе с витком.

Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала и представляют из себя в простейшем виде коллектор, служащий для выпрямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются неподвижные щетки I и II, по которым ток с полуколец А и Б направляется во внешнюю цепь. При вращении в магнитном поле в рамке будет индуктироваться переменная по величине и направлению электродвижущая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. При этом направление э. д. с., индуктируемой в каждый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки.

В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полукольца меняют щетки (рис. 168, а и б), поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по величине. График изменения э.д.с. в витке можно изобразить кривой, показанной на схеме в (рис. 168), а график изменения тока во внешней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, изображенный на схеме г. Как видно из последнего графика, э.д.с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по величине от нуля до максимума, снова до нуля и т. д. Поэтому э.д.с. в таком виде имеет большую пульсацию, и ток, протекающий по замкнутому контуру, носит название пульсирующего. Чтобы «сгладить» пульсацию и получить ток во внешней цепи, близкий к постоянному по величине, в генераторах устанавливают не один виток с двумя полукольцами, а очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относительно друг друга на небольшой угол и при вращении всех витков пульсация значительно уменьшается.

В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине. На практике в генераторах берется такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э.д.с. имеет совершенно незначительную пульсацию (порядка 1% от среднего значения э. д.с.) и ее величина поэтому считается постоянной.

Конструкции основных элементов генераторов и двигателей постоянного тока, вследствие общности их принципов и обратимости работы, одни и те же.

На рис. 169 показаны основные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных частей: станины с закрепленными в ней полюсами — электромагнитами, якоря с обмоткой и коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего подшипниковых щитов.

Станиныу современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выполняются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьмигранные, круглые и т. д.).

К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников (рис. 170).

Вследствие общности принципов работы основные элементы конструкции генераторов и дви¬гателей постоянного тока одни и те же.

Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного поля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное (2, 4, 6 и более). При этом северные и южные полюсы чередуются между собой. Полюсные сердечники, как и полюсные наконечники, собираются из отдельных листов (пластин) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечники полюсов изготовляются отдельно от станины и крепятся к ней, как это показано на рис. 170.

Якорь — вращающаяся часть машины — служит для несения обмотки, в которой индуктируется переменная э.д.с.; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сердечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга специальной тонкой бумагой или покрытых изолирующим лаком. Отдельные листы сердечника якоря штампуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверхности якоря образовались пазы, в которые затем укладываются секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Секции обмоток соединяются между собой в определенной последовательности.

Набранный таким образом якорь надевается на стальной вал машины, на котором он закрепляется при помощи шпонки.

На одном валу с якорем насажен коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала ма¬шины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаивается начало од¬ной и конец другой секции. Пластины изготовляются из твердо¬тянутой меди соответствующего профиля и изолируются друг от друга прокладками из миканита (склеенные под давлением листочки слюды). Для соединения коллекторных пластин с кон¬цами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление, в которое вводят (вбивают) концы секций, произведя их пайку.

Коллектор является одной из наиболее ответственных частей электрической машины.

Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателями. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать искрения, повышения сопротивления и нагрева.

В современных электрических машинах применяют угольные, меднографитные и графитные щетки.

Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый междужелезным пространством.

На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения машины с сетью. Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся — ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда называется индуктором)—статором.

Похожие статьи

Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока основан на 2-х законах:
1. Закон электромагнитной индукции: при перемещении проводника длиною l в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, в нем возникает ЭДС (электродвижущая сила).

e=Blv

2. Закон электромагнитных сил: если проводник длиною l и с током i поместить в магнитное поле с индукцией B, на него будет действовать электромагнитная сила f.

f=Bli

Если рамку длиной l вращать в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, на основании закона электромагнитной индукции в сторонах рамки будет наводиться ЭДС.

Чтобы определить направление действия ЭДС пользуются правилом правой руки.

Правило правой (а) и левой (б) руки.

τ=(πD)/(2p),

где p – число пар полюсов;
D — диаметр якоря;
τ – полюсное деление, показывающее какая часть длины окружности, которую описывает рамка, приходится на 1 полюс.
Число пар полюсов машины постоянного тока всегда кратно двум.

Ток всегда имеет то же направление, что и ЭДС.

Если рамку через кольцо соединить с внешней цепью, то по внешней цепи будет течь ток, совпадающий по форме и направлению с ЭДС.

Для того, чтобы во внешней цепи протекал постоянный ток, разрезаем кольцо на два полукольца и к каждому полукольцу подсоединяем по одному концу рамки. Замена кольца на два полукольца обеспечивает во внешней цепи однонаправленный ток.

Полукольца являются прообразом коллектора машины постоянного тока. Для того, чтобы ЭДС и ток на выходе машины был постоянным, надо увеличить число рамок и число полуколец.

Таким образом, коллектор в машине постоянного тока является механическим выпрямителем, если машина работает в генераторном режиме и механическим инвертором, если машина работает в двигательном режиме.

Внутри машины постоянного тока всегда действует переменное ЭДС и по обмотке якоря протекает переменный ток.

Если к рамке подвести ток, совпадающий по направлению с ЭДС, то на каждую сторону рамки на основании закона электромагнитных сил будет действовать сила, направление действия которой определяется правилом левой руки.

Для того чтобы рамка под действием сил начала вращаться, нужно иметь две силы и плечо. Чтобы выполнить это действие, все электрические машины изготавливаются круглой формы.

Для того чтобы на зажимах генератора постоянного тока появилось напряжение, его нужно привести во вращение от постороннего источника механической энергии и подать напряжение на обмотку возбуждения, и тогда на основании закона ЭМИ (электромагнитной индукции) на выходе генератора появится ЭДС.

Если к генератору подключить нагрузку, то по якорю генератора начнет протекать ток. И как только по якорю начнет протекать ток, в якоре генератора начнет действовать закон электромагнитных сил и будет создаваться момент, приложенный на встречу механической энергии, в результате чего якорь генератора будет притормаживаться.

Таким образом, в генераторе постоянного тока, работающем под нагрузкой, действуют оба закона: закон электромагнитных сил, который ухудшает работу машины, и закон ЭМИ, являющийся основным законом, на котором основан принцип действия генератора.

Для того чтобы якорь двигателя постоянного тока начал вращаться, необходимо создать магнитный поток с помощью обмотки возбуждения и подвести к якорю напряжение, тогда по обмотке якоря начнет протекать ток и в машине начнет действовать закон электромагнитных сил, который приведет якорь во вращение.

Как только якорь начнет вращаться, начнет действовать закон ЭМИ и будет создаваться ЭДС, направленная навстречу подводимому напряжению.

Так как в машине постоянного тока независимо от режима работы действуют оба закона, одна и та же машина может работать как двигателем, так и генератором.

Машина постоянного тока обратима, т.е. одна и та же машина может работать в разных режимах, в зависимости от того, какой вид энергии к ней подводится: электрический или механический.

Электрические машины постоянного тока | Электрификация сельскохозяйственного производства

Страница 6 из 14

Глава VI. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. Принцип действия и устройство машин постоянного тока
Принцип действия машин постоянного тока — генераторов и двигателей — основан на явлении электромагнитной индукции и явлении взаимодействия проводника, по которому проходит ток, с магнитным полем.

Рис. 65. Схема машины постоянного тока с одним витком.
Следует заметить, что машины постоянного тока, как и электрические машины вообще, обладают свойством обратимости, то есть каждая машина может работать и в генераторном, и в двигательном режиме.
Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока. Между двумя магнитными полюсами N. и S (рис. 65) Помещен виток aecd, концы которого присоединены к двум изолированным полукольцам. Эти полукольца представляют собой простейший коллектор, предназначенный для выпрямления переменного тока. На полукольца наложены неподвижные щетки А и В, к которым присоединена внешняя цепь (нагрузка генератора).
При вращении витка вместе с полукольцами в его активных сторонах ав и cd индуктируется синусоидальный ток, но благодаря коллектору и щеткам ток во внешней части
цепи будет пульсирующим, то есть неизменным по направлению (рис. 66).

£
Рис. 66. График выпрямленного тока генератора с одним витком.

Принцип выпрямления переменного тока при помощи коллектора заключается в следующем. В момент, когда виток занимает вертикальное положение, как показано на рисунке 65, в верхней его стороне ав э.д.с. направлена от в к а, а в нижней стороне — от d к с. Во внешней части цепи будет протекать ток от щетки А к щетке В. Следовательно, щетка А имеет полярность «плюс», а щетка В — «минус».
После того как виток сделает четверть оборота и стороны витка ав и cd расположатся на нейтральной линии, э.д.с, витка станет равной нулю. При дальнейшем движении каждая из сторон витка окажется в магнитном поле другой полярности и э.д.с. в витке изменит направление на обратное. Однако направление тока во внешней части цепи останется прежним, потому что в тот же самый момент, когда стороны витка проходят в зону действия поля другого знака, меняются и полукольца (коллекторные пластины) под щетками, то есть щетки передвигаются с одного полукольца на другое.
Таким образом, под щеткой А всегда находится полукольцо, которое соединено с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В —  полукольцо, которое соединено с проводником, расположенным под южным магнитным полюсом. Поэтому, полярность щеток остается неизменной, и ток во внешней цепи течет в одном направлении — от щетки А к щетке В. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы в момент перехода их с одной пластины на другую э.д.с. в витке была равной нулю.
С целью уменьшения пульсации тока применяют обмотку из нескольких витков, сдвинутых относительно друг друга в пространстве, причем каждый из них присоединен к своей паре полуколец (коллекторных пластин). Так, например, даже для генератора с двумя витками (рис. 67), сдвинутыми в пространстве на 90°, пульсация тока заметно уменьшается (рис. 68). Предостаточно большом числе витков ток практически становится постоянным по величине и направлению.
Электродвижущая сила Ев генератора постоянного тока определяется по формуле
Е — спФ,                                       (151)
где с — постоянная машины;
п — частота вращения якоря, об/мин;
Ф — магнитный поток, Вб.

Рис. 67. Модель машины постоянного тока с двумя витками.
Следовательно, э.д.с. генератора зависит от частоты вращения и магнитного потока. Поэтому регулировать э.д.с. генератора можно, изменяя эти величины. На практике э.д.с. генератора регулируют, изменяя силу тока в цепи возбуждения.

Рис. 68. График выпрямленного тока генератора с двумя витками.
Рассмотрим устройство электрической машины постоянного тока (рис. 69). Она состоит из двух основных частей: неподвижной части — статора и вращающейся части —якоря.
Статор представляет собой станину 6, на внутренней поверхности которой укреплены сердечники главных полюсов 4 с полюсными катушками 5 и добавочные полюса.

Главные полюса служат для создания основного магнитного потока, а  добавочные —для создания дополнительного потока.
К бокам станины болтами прикреплены подшипниковые щиты 7 и 11, в которых установлены подшипники вала якоря.

Рис. 69. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4— сердечник главного полюса, 5— полюсная катушка; 6 — станина; 7 — подшипниковые щиты; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря) 10 — вал якоря.
Якорь состоит из вала 10, сердечника 3, обмотки 9 и коллектора 1.
Сердечник якоря (рис. 70) набирают из отдельных листов электротехнической стали (рис. 71), изолированных друг от друга для уменьшения потерь от вихревых токов, юты сердечника Плотно стянуты при помощи болтов 4 и нажимных шайб 1. В собранном состоянии по оси сердечника образуется цилиндрические отверстие для вала, а на поверхности сердечника — продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.           

Рис. 70. Якорь без обмотки:
1 — нажимная шайба; 2 — место для бандажа; 3 — место для коллектора, 4 — болт.
Обмотку якоря, изготовленную из изолированного медного провода, образуют секции, которые соединяются между собой последовательно, причем каждая секция двумя концами припаивается к пластинам коллектора, К каждой коллекторной пластине припаивают конец одной секции и начало другой. Обмотку в пазах укрепляют клиньями или бандажами.

Рис. 71. Стальной лист якоря:
1— сталь; 2 — изоляция.

Секция состоит из нескольких, витков, стороны которых располагают так, чтобы одна из них лежала под северным полюсом, а другая — под южным.

Коллектор генератора постоянного тока служит для преобразования переменного тока в постоянный и для электрического соединения вращающейся обмотки якоря с внешней сетью при помощи неподвижных щеток 2 (см. рис. 69).

Рис. 72. Коллектор:1 — корпус коллектора; 2 — стяжной болт; 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляция; 5 — «петушок»; 6 — ласточкин хвост; 7 — пластины.
Коллектор (рис. 72) изготовляют из медных пластин 7, которые изолируют друг от друга и от втулки миканитовой изоляцией 4. Выступающую часть 5 коллекторной пластины называют петушком, к ней припаивают концы секций обмотки якоря.
Вал якоря изготовляют из высокосортной стали. На нем укрепляют сердечник якоря с обмоткой, коллектор, опорные подшипники, вентилятор, шкив или соединительную муфту.
Вентилятор предназначен Для создания воздушного потока, охлаждающего машину.
При помощи шкива или муфты машину постоянного тока соединяют с первичным двигателем (если она служит выступ 6, напоминающий форму ласточкина хвоста. При сборке коллектора эти выступы зажимаются между корпусом коллектора 1 и нажимным кольцом 3 и закрепляются стяжными болтами 2.

Рис. 73. Щеткодержатель:
1— нажимные пластины; 1 — пружина; 3 — щетка; 4 — обойма; 5 — тросик.

Рис. 74. Щеточная траверса:
1 — щеточный палец; 2 — изоляция; 3 — стопорный болт.

Щетки создают электрический контакт с поверхностью коллектора. Их располагают и закрепляют в щеткодержателях (рис, 73). Щетки 3, установленные в обоймы щеткодержателей 4, прижимаются к коллектору нажимными пластинами 1 при помощи пружины 2. Ток от щетки отводится гибким медным тросиком 5.

Щеткодержатели укрепляют на пальцах траверсы t (рис. 74), которые изолируются от корпуса машины при помощи втулки 2. Траверса крепится к подшипниковому щиту стопорным болтом 3. Поворачивая траверсу на некоторый угол, изменяют положение щеток на коллекторе.
На станине или на переднем подшипниковом щите располагают панель (клеммный щиток), Куда выводят концы обмоток.
Выводы, согласно ГОСТ 183—66, маркируются следующим образом: обмотка якоря — Я1 и Я2, обмотка возбуждения параллельная — Ш1 и Ш2, обмотка возбуждения последовательная — CI и С2, обмотка добавочных полюсов — Д1 и Д2. Цифрой 1 обозначают начала обмотки, а цифрой 2 — концы.
К станине машины прикрепляют табличку (паспорт), где указаны все необходимые номинальные данные машины.

§ 2. Классификация генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока, с электромагнитным возбуждением разделяют на генераторы независимого возбуждения (рис. 75, а), в которых обмотка возбуждения питается от постороннего источника тока (аккумуляторной батареи или другой машины постоянного тока), и генераторы с самовозбуждением, в которых обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.

Рис. 75. Схемы возбуждения генераторов: а — независимое; б — параллельное; в — последовательное; г — смешанное.
В свою очередь, среди генераторов с самовозбуждением, получивших преимущественное распространение, в зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают:
1) генераторы с параллельным возбуждением (рис. 75, б): у них обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря; 2) генераторы с последовательным возбуждением (рис. 75, в) здесь обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря; 3) генераторы со смешанным возбуждением (рис. 75, г): у них две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно.

§ 3. Характеристики генераторов постоянного тока

При эксплуатации машин постоянного тока важно знать зависимость одних переменных величин от других. Графическое выражение этих зависимостей называют характеристиками.
К основным характеристикам генераторов постоянного тока относят следующие.

1. Характеристика холостого хода отражает зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока возбуждения при токе нагрузки , равном нулю, и постоянной частоте вращения якоря, то есть

1. Внешняя характеристика выражает зависимость напряжения U на зажимах генератора оттока нагрузки  при неизменном сопротивлении  цепи возбуждения и постоянной частоте вращения якоря, или

1. Регулировочная характеристика отражает зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении V на зажимах генератора и постоянной частоте вращения якоря, то есть

Характеристики генератора независимого возбуждения.
Рис. 76. Характеристика холостого хода генератора независимого  возбуждения.
Характеристика холостого хода (рис. 76) показывает, что при увеличении тока возбуждения
напряжение U на зажимах генератора повышается. Вначале, при малых токах возбуждения, напряжение растет пропорционально увеличению тока возбуждения, а затем, по мере насыщения магнитной системы машины, эта линейная зависимость нарушается и характеристика приобретает криволинейный характер. Точка N, соответствующая номинальному напряжению генератора, обычно лежит на перегибе характеристики. Если точка располагается за перегибом характеристики, в зоне насыщения, то в этом случае ухудшается возможность регулировки напряжения генератора (для небольшого изменения напряжения требуется значительное изменение тока возбуждения). Наоборот, если точка N лежит на прямолинейной части характеристики (ниже перегиба), то небольшие изменения тока возбуждения вызовут значительные изменения напряжения генератора.
Рис. 77. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения.
Внешняя характеристика (рис. 77) позволяет сделать вывод о том, что при увеличении тока нагрузки напряжение U  на зажимах генератора понижается, что объясняется падением напряжения в цепи якоря и размагничивающим влиянием реакции якоря.
Рис. 78. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения.
Регулировочная характеристика (рис. 78) показывает, что напряжение генератора остается постоянным тогда, когда с увеличением тока нагрузки увеличивают ток возбуждения (и наоборот).

Рис. 79. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения.
Характеристика генератора параллельного возбуждения. Характеристики холостого хода и  регулировочная этого генератора такие же, как соответствующие характеристики генератора с независимым возбуждением.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 79) значительно отличается от аналогичной характеристики генератора независимого возбуждения. В генераторе параллельного возбуждения при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается быстрее. Это объясняется тем, что в данном генераторе напряжение уменьшается не только из-за падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря, но и следствие уменьшения тока возбуждения, вызванного снижением напряжения в результате действия этих двух причин.
С увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора снижается, а вместе с ним уменьшается и ток возбуждения. Ток нагрузки может возрастать до определенного, критического значения, превышающего номинальный ток примерно в два раза, а затем напряжение генератора резко уменьшается и в обмотке якоря протекает ток, обусловленный э.д.с. от потока остаточного магнетизма.
Характеристика генератора последовательного возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения весь ток нагрузки проходит через обмотку возбуждения, а поэтому свойства этого генератора в полной мере выражает внешняя характеристика (рис, 80).
В режиме холостого хода э.д.с. генератора невелика, ее значение определяется величиной остаточного магнетизма. По мере увеличения тока нагрузки возрастает магнитный поток и напряжение генератора повышается. Однако напряжение растет лишь до определенного предела, обусловленного магнитным насыщением стали генератора, когда магнитный поток полюсов уже почти не увеличивается.
Рис. 80. Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения.
При дальнейшем усилении тока нагрузки напряжение генератора уменьшается, так как основная составляющая магнитного потока генератора из-за насыщения стали почти перестает увеличиваться, а падение напряжения в цепи якоря и реакция якоря продолжают возрастать.
Генераторы последовательного возбуждения широкого применения не нашли, поскольку им присуща значительная зависимость напряжения от нагрузки.
Характеристики генератора смешанного возбуждения. Обычно обмотки возбуждения этого генератора, одна из которых соединена последовательно с обмоткой якоря, а другая параллельно ей, включаются согласно, то есть так, что магнитные потоки обеих обмоток складываются. Наличие двух обмоток возбуждения приводит к тому, что этот генератор сочетает в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждениями.
Характеристика холостого хода генератора со смешанным возбуждением не отличается от соответствующей характеристики генератора с параллельным возбуждением.
Рис, 81. Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением.

Особенность свойств генератора со смешанным возбуждением проявляется в его внешней характеристике {рис. 81), которая показывает, что в некотором диапазоне напряжение на зажимах генератора при увеличении тока нагрузки остается почти неизменным. Это происходит благодаря тому, чтo снижение напряжения, характерное для машины параллельного возбуждения, компенсируется повышением напряжения в результате действия последовательной обмотки возбуждения. Постоянство напряжения на зажимах генератора при изменениях тока нагрузки и является основным достоинством генераторов со смешанным возбуждением.

4.

Электродвигатели постоянного тока

Уже отмечалось, что электрические машины постоянного тока обратимы, то есть каждая машина может работать как генератором, так и двигателем. Поэтому устройство электродвигателей постоянного тока такое же, как генераторов.
Принцип действия электродвигателей постоянного тока основан на явлении взаимодействия проводника, по которому проходит ток, с магнитным полем.

Для регулирования скорости вращения электродвигателя служит регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения.
Чтобы изменить направление вращения якоря двигателя, достаточно изменить направление тока в обмотке возбуждения или в обмотке якоря.

Рис. 82. Включение пускового реостата в цепь обмотки якоря двигателя.
По способу возбуждения электродвигатели постоянного тока, так же как и генераторы, в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют па двигатели параллельного, последовательного и смешанного, возбуждения. Электрические схемы этих двигателей аналогичны схемам генераторов, приведенным на рисунке 75.
Основными характеристиками двигателей постоянного тока являются рабочие характеристики.
Рис. 83. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения.
Рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением (рис. 83) отражают зависимости частоты вращения тока, вращающего момента М и коэффициента полезного действия  от мощности Р2 на валу двигателя при постоянных значениях напряжения и тока возбуждения, то есть  при U—const.
Рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения показывают, что частота вращения якоря с увеличенном нагрузки несколько уменьшается; ток Iя якоря и вращающий момент М повышаются почти прямо пропорционально нагрузке; коэффициент полезного действия  вначале весьма быстро растет, достигая почти предельного значения примерно при половинном значении номинальной мощности, а затем изменяется очень мало, имея максимум в пределах 75—100% номинальной нагрузки, по при перегрузке двигателя уменьшается.
Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения представлены на рисунке 84.
Рис. 84. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения

.
В зоне малого насыщения стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря и вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока. Поэтому такой двигатель способен развивать большой вращающий момент, что имеет важное значение в случае перегрузок и особенно при тяжелых условиях пуска.
Эти двигатели широко применяются в подъемных устройствах, па транспорте, а также на тракторах и автомобилях в качестве стартеров.
Другой особенностью двигателей последовательного возбуждения является то, что с уменьшением нагрузки скорость вращения якоря резко увеличивается и при нагрузке ниже 25% номинальной возрастает до недопустимо большой величины. Это объясняется тем, что в соответствии с формулой
при снижении нагрузки на валу ток якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается, а скорость вращения двигателя увеличивается. Поэтому работа и пуск двигателя при нагрузке меньше 25% номинальной недопустимы.

Двигателю смешанного возбуждения присущи положительные свойства двигателей с параллельным и последовательным возбуждением, то есть для него характерны и большой вращающий момент, и постоянство скорости вращения. Благодаря этому двигатели смешанного возбуждения получили широкое применение.

1 Принцип действия и устройство машин постоянного тока » СтудИзба

Модуль 4: «Машины постоянного тока»

(Конспект лекций)

1. Принцип действия и устройство машин постоянного тока

(Тема 39)

1.1.         Принцип действия машин постоянного тока

Режим генератора. На рис. 1.1, а представлен фрагмент машины постоянного тока, а на рис. 1.1, б, в дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Основной магнитный поток в нормальных машинах создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах 1 неподвижной части машины – индукторе.

Магнитный поток проходит от северного полюса к южному через подвижную часть машины – якорь 2 (рис. 1.1) и замыкается по ярму машины (на рис. 1.1 ярмо индуктора не показано).

Якорь набран из пластин электротехнической стали и имеет форму цилиндра с пазами, в которые уложена обмотка, в рассматриваемом случае, состоящая из одного витка.

Концы витка обмотки соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора 3, число которых в раcсматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется  с внешней цепью.

Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. В проводниках обмотки якоря, перемещающемся в магнитном  поле, наводится ЭДС. Направление ЭДС определяют по правилу правой руки. Поскольку направление магнитного потока остается неизменным, ЭДС индуктируется только при вращении якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике ЭДС – по закону электромагнитной индукции

,                                         (1. 1)

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, на протяжении которой он расположен в магнитном поле;  u – составляющая скорости перемещения, нормальная к вектору магнитной индукции.

Индуктируемые в проводниках ЭДС по контуру витка складываются и ЭДС витка

                                (1.2)

ЭДС  является переменной, так как проводники обмотки проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в них меняется. По форме кривая ЭДС повторяет кривую индукции в зазоре машины. Частота ЭДС в двухполюсной машине равна частоте вращения якоря n (об/с):

                                                       

в полюсной машине

                                           (1.3)

Если замкнуть виток обмотки якоря на внешнее сопротивление r, то в цепи потечет ток

                                     (1. 4)

Этот ток будет переменным и будет иметь ту же форму, что и ЭДС (рис. 1.2, а). По внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора: под верхней щеткой всегда будет находиться пластина коллектора, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом. Форма кривой тока и напряжения во внешней цепи показана на рис. 1.2, б.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный во внешней цепи.

Ток обмотки якоря:

а) создаст на внутреннем и внешнем сопротивлениях падения напряжения, уравновешивающие ЭДС:

;                              (1.5)

б) выделит на сопротивлениях соответствующие мощности.

 

 

Уравнение мощностей получим умножив  (1.5) на ток

                                                                   (1. 6)

или

,               (1.7)

где — электромагнитная мощность генератора; р — мощность потерь на внутреннем сопротивлении генератора; Р₂ — мощность, выделенная на внешнем сопротивлении цепи – полезная мощность.

Из (1.7) следует, что генератор отдает в сеть только часть развивающейся в нем электромагнитной мощности, другая проявляется в виде потерь.

Проводники обмотки якоря с током i находятся в магнитном поле, на них (по закону Ампера) будут действовать электромагнитные силы (см. рис.1.1, б)

,                                    (1.8)

направление которых определяют по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом (см. рис.1.1, б):

,                                   (1.9)

где диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозным.

Режим двигателя. Рассматриваемая машина постоянного тока может работать в режиме двигателя, если к обмотке якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. На проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы (см. рис. 1.1, в) и возникнет электромагнитный момент, определяемые по формулам (1.8) и (1.9). При достаточной величине электромагнитного момента якорь придет во вращение и машина будет развивать механическую мощность. В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

В проводниках обмотки вращающегося якоря по закону эле-ктромагнитной индукции наведется ЭДС, определяемая по формуле (1.1) и направленная против тока.

На основании второго правила Кирхгофа записывают уравнение равновесия напряжений:

              (1.10)

или

.                                         (1.11)

Умножив (1. 11) на ток, получим

,                                     (1.12)

или

                                         (1.1З)

Из (1.13) следует, что в электромагнитную мощность превращается только часть подведенной мощности Р₁, а остальная покрывает потери.

Таким образом, независимо от назначения (и даже рода тока) действие электрических машин основано на двух законах: на законе электромагнитной индукции , сформулированном Фарадеем (или  — в формулировке Максвелла), и законе Ампера (законе электромагнитных сил), определяющем взаимодействие токов с магнитными потоками. Из сравнения равенств (1.5), (1.11) следует: в двигательном режиме  > , генераторном > .

Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин коллектора должно быть достаточно большим. Обычно при  В

,

соответственно возрастает и количество секций (витков) обмотки якоря. Пример такой обмотки, уложенной в пазы якоря, показан на рис. 1.3, а. При вращении якоря в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направление которой на рис. 1.3, б.

 В проводниках, расположенных по одну сторону симметрии, разделяющей полюсы, ЭДС направлена всегда в одну сторону, независимо от угловой скорости. При вращении одни проводники уходят под другой полюс, на их место приходят

 другие проводники, а в пространстве, под полюсом одной полярности, картина почти неподвижна, только одни проводники сменяются другими.

Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.

В половине обмотки ( в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.3, б). По контуру обмотки якоря ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.

Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.

Для улучшения контакта щетки выполняют в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирают из медных пластин, изолированных друг от друга.

1.2. Устройство машины постоянного тока

Магнитное поле в машинах постоянного тока создают полюсы 1, укрепленные на неподвижных магнитопроводящих станинах-ярмах 2 (рис. 1.4). Полюсы изготавливают в виде стальных сердечников, собранных из отдельных листов (только для упрощения технологии), на которых укреплены обмотки возбуждения 3. Полюсы – это электромагниты, обмотки которых питаются постоянным током от якоря самой машины или от независимого источника. В машинах мощностью выше 0,5 кВт между основными – главными – полюсами размещают добавочные полюсы 20 для улучшения токосъема с коллектора. Эти полюсы, как и главные, крепят болтами к ярму машины. Ярмо в современных машинах обычно выполняют из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из листового проката или стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяют.

В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно и станиной, т.е. той частью, где крепят другие неподвижные части машины и с помощью которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. В поле полюсов помещают насаженный на вал якорь 4 — стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали с выштампованными по периферии пазами 5 для укладки обмотки. Сердечники якоря диаметром более 100 см составляют из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набирают на корпус якоря, изготовленного из листового проката, и с помощью втулки соединяют с валом. Листы якоря изолируют друг от друга оксидной пленкой или лаком для уменьшения вихревых токов.

В сердечнике якоря могут быть аксиальные или радиальные каналы в зависимости от выбранной системы вентиляции.

Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря лобовые части 7 обмотки имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 8, а по внешней стороне крепятся проволочными бандажами 6. Обмотку соединяют с коллектором 9 — механическим выпрямителем переменной ЭДС, наводимой в якоре, в постоянное напряжение на выходе генератора (иди инвертором для двигателя). Коллектор 12 укреплен на валу 10 якоря и состоит из медных пластин 11, изоли-рованных друг от друга миканитовыми пластинами и изоляционными шайбами 12 от нажимного устройства, стягивающего пластины в цилиндр. Для токосъема с коллектора (скользящий контакт) установлен щеточный аппарат, состоящий из нескольких групп щеткодержателей 13, укрепленных на траверсе 14. В щеткодержателях помещены щетки (графитные или медно-графитные), прижатые к коллектору пружинами. Траверсы укреплены на станине или подшипниковом щите 15 и допускают перемещение всех щеток по дуге коллектора (для установки в нужном положении).

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Вал машины 10 с укрепленными на нем якорем и коллектором вращается в подшипниках 16, установленных в подшипниковых щитах 15. На валу в большинстве машин постоянного тока крепится крыльчатка вентилятора 17 для охлаждения активных частей машины. Воздух поступает в машину через жалюзи 19, прогоняется вентилятором через активную часть машины. Нагретый воздух выбрасывается через вентиляционные окна 18.

Одноякорные машины постоянного тока строят мощностью до 10 МВт и напряжением до 1000 В (для электрифицированных железных дорог до 1500 В). Большие напряжения ограничены условиями токосъема. При больших мощностях строят двух и многоякорные машины с общим валом. Машины постоянного тока наиболее сложны в изготовлении, менее надежны в эксплуатации в дорогостоящи. В то же время простота и экономичность регулирования скорости вращения в этих машинах обеспечивают им широкое применение.

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

МAШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКA

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МAШИН ПОСТОЯННОГО ТОКA

Мaшины постоянного токa (МПТ) могут рaботaть и кaк генерaторы и кaк двигaтели. Если в мaшине происходит преобрaзовaние мехaнической энергии в электрическую, то онa нaзывaется генерaтор. Если электрическaя энергия преобрaзуется в мехaническую, то это двигaтель.

МПТ конструктивное не отличaются друг от другa. Тaкие мaшины нaзывaются обрaтимыми, т.е. любaя МПТ может рaботaть и кaк генерaтор и кaк двигaтель.

Мaшинa имеет неподвижную чaсть, которaя нaзывaется стaтор (индуктор) и подвижную- ротор (якорь).

. Индуктор создaет мaгнитное поле, которое воздействует нa якорь. При этом в якоре нaводится ЭДС (генерaтор), или он нaчинaет врaщaться (двигaтель).

Устройство мaшин постоянного токa

Мaшинa имеет неподвижный корпус (стaнинa поз.7), к которому крепятся основные (поз.4) и дополнительные полюсa. Основной полюс имеет сердечник (поз.6) и рaсширенную нижнюю чaсть- полюсный нaконечник. Нa сердечник устaнaвливaется обмоткa возбуждения (ОВ). Вместе они обрaзуют мaгнитный полюс. Полюсный нaконечник необходим для рaспределения мaгнитного потокa. Основных полюсов может выть несколько.

Дополнительные полюсa необходимы для снижения искрения под щеткaми.

К корпусу крепятся подшипниковые щиты. Они предстaвляют собой крышки мaшины и имеют специaльно рaсточенные отверстия, в которые устaнaвливaются подшипники якоря.

К неподвижной чaсти относится тaкже щеткодержaтель со щеткaми (поз.2). Щеткодержaтель предстaвляет собой обойму, в которую устaнaвливaется щеткa. Щеткa может быть грaфитовой или медногрaфитовой. Для обеспечения необходимого дaвления щетки нa коллектор, нa щетку устaнaвливaется нaжимнaя пружинa

Якорь предстaвляет собой подвижную чaсть. Нa него устaнaвливaется сердечник с пaзaми (поз.5), в которые уложенa обмоткa якоря. Сердечник собирaется (шихтуется) из тонколистовой электротехнической стaли. Перед сердечником устaновлен коллектор (поз. 1). Он состоит из изолировaнных друг от другa медных плaстин. Плaстины имеют трaпецеидaльную форму и при сборке обрaзуют полый цилиндр. Кaждaя плaстинa имеет рaсширенную нижнюю чaсть, которaя служит для крепления плaстин между собой и нaзывaется «лaсточкин хвост». Сверху имеется выступaющaя чaсть, которaя нaзывaется «петушок».

петушок

лaсточкин хвост

.

Якорь мaшины в сборе

Обмоткa якоря состоит из нескольких секций, которые соединяются между собой через коллекторные плaстины. Для этого нaчaло кaждой секции припaивaется к «петушку».

С обеих сторон нa вaл якоря нaпрессовывaются подшипники, которые устaнaвливaются в подшипниковые щиты и зaкрывaются подшипниковыми крышкaми.

Принцип рaботы мaшин постоянного токa

Принцип действия генерaторa основaн   нa    использовaнии зaконa электромaгнитной    индукции.

Принцип рaботы генерaторa рaссмотрим с помощью рис.3. Якорь предстaвлен кaк рaмкa, состоящaя из одной секции с одним витком. Концы секции присоединены к двум изолировaнным однa от другой половинaм (полукольцaм) одного кольцa. Контaктные плaстины (щетки) скользят по этому кольцу. Тaкое кольцо, состоящее из изолировaнных полуколец, нaзывaют коллектором, a кaждое полукольцо — плaстиной коллекторa. Щетки нa коллекторе должны быть рaсположены тaким обрaзом, чтобы они при врaщении рaмки одновременно переходили с одного полукольцa

Якорь рaсположен в мaгнитном поле основных полюсов (С и Ю) и врaщaется в нем с помощью приводного двигaтеля. Соглaсно зaкону электромaгнитной индукции (имеется неподвижное мaгнитное поле и в нем врaщaется проводник), в секции будет нaводиться ЭДС

Рис.3

. В мaгнитном поле нaходятся две стороны секции, которые нaзывaются рaбочими и рaсположены они под рaзными полюсaми. Поэтому нaпрaвление ЭДС в них будет рaзное. Когдa рaмкa рaсположенa вертикaльно, то величинa ЭДС будет мaксимaльной. По мере ее врaщения угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями уменьшaется, и ЭДС будет снижaться. Когдa рaмкa проходит через горизонтaльное положение ее рaбочие стороны скользят вдоль силовых  линий,  не пересекaя их, и ЭДС не индуктируется. При этом коллекторные плaстины зaмыкaются щеткaми, a ЭДС рaвнa 0. Зaтем рaмкa поворaчивaется, и коллекторные плaстины выходят из под щеток. Угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями увеличивaется и ЭДС тaкже возрaстaет. Когдa рaмкa примет вертикaльное положение, ЭДС будет мaксимaльной, но нaпрaвление ее в сторонaх секции изменится нa противоположное. При дaльнейшем врaщении все повторится.

Следовaтельно, при врaщении рaмки в постоянном мaгнитном поле, в рaмке нaводится переменнaя ЭДС. Если якорь зaмкнуть нa нaгрузку, то в цепи появится переменный ток. Чтобы ток был постоянным по нaпрaвлению, нa коллекторные плaстины устaновлены неподвижные щетки. Поэтому незaвисимо от положения рaмки и коллекторa нaпрaвление токa через щетки будет постоянным. Чтобы ток не изменялся по знaчению, число секций и витков долно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился виток. Тогдa через щетки постоянно будет проходить мaксимaльный ток.

При рaботе двигaтеля щетки подключaются к сети постоянного токa. Через них проходит постоянный ток. Чтобы вaл двигaтеля пришел в движение, необходимо создaть врaщaющий момент. Он создaется зa счет взaимодействия мaгнитного поля постоянных мaгнитов и мaгнитного поля, создaвaемого током, проходящим по обмотке якоря. При взaимодействии двух мaгнитных полей возникaет врaщaющий момент, т.к. возникaет пaрa сил, рaвных по величине и противоположно нaпрaвленных

F F

Но при повороте вaлa двигaтеля ток и, соответственно, мaгнитное поле ослaбевaют врaщaющий момент пaдaет и двигaтель остaнaвливaется, Чтобы этого не произошло число витков должно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился кaкой- либо виток. Тогдa мaгнитное поле будет постоянным и мaксимaльным, и двигaтель будет врaщaться с постоянной скоростью.

Двигатели постоянного тока — Устройство, принцип действия электродвигателя

Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.

Рисунок 1 – Машина постоянного тока:
I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник

Рисунок 2 – Полюса машины постоянного тока:
а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 — сердечник
В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

Рисунок 3 – Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника
Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек — одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.
Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 — 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде ‘ласточкина хвоста’, которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность ‘ласточкина хвоста’, при втором — на ‘ласточкин хвост’ и конец пластины.
Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым — клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы.
В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются ‘петушками’.
В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца.
Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь.
Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 — 0,04 МПа.
Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик.
В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины.
Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые.
Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рисунок 4 – Щетки:
а — для машин малой и средней мощности; б — для машин большой мощности; 1 — щеточный канатик; 2 — наконечник
Различают обычные и фланцевые подшипниковые щиты.
Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения.
В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.

Машина постоянного тока

— конструкция, работа, типы, уравнение ЭДС и приложения

Машины постоянного тока можно разделить на два типа, а именно: двигатели постоянного тока и генераторы постоянного тока . Большинство машин постоянного тока эквивалентны машинам переменного тока, потому что они включают в себя как переменные токи, так и переменные напряжения. Выход машины постоянного тока является выходом постоянного тока, потому что они преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. Преобразование этого механизма известно как коммутатор, поэтому эти машины также называются коммутаторами.Машина постоянного тока чаще всего используется в качестве двигателя. Основные преимущества этой машины включают регулировку крутящего момента, а также легкую скорость. Применение машины постоянного тока ограничено поездами, мельницами и шахтами. Например, в вагонах метро и троллейбусах могут использоваться двигатели постоянного тока. В прошлом в автомобилях были установлены динамо-машины постоянного тока для зарядки батарей.

Что такое машина постоянного тока?

Машина постоянного тока — это электромеханическое устройство для преобразования энергии. Принцип работы машины постоянного тока заключается в том, что электрический ток протекает через катушку в магнитном поле, а затем магнитная сила создает крутящий момент, который вращает двигатель постоянного тока.Машины постоянного тока подразделяются на два типа, такие как генератор постоянного тока и двигатель постоянного тока.

Машина постоянного тока

Основная функция генератора постоянного тока заключается в преобразовании механической энергии в электрическую энергию постоянного тока, тогда как двигатель постоянного тока преобразует мощность постоянного тока в механическую энергию. Электродвигатель переменного тока часто используется в промышленных приложениях для преобразования электрической энергии в механическую. Однако двигатель постоянного тока применим там, где необходимо хорошее регулирование скорости и широкий диапазон скоростей, например, в системах электрических транзакций.

Конструкция машины постоянного тока

Конструкция машины постоянного тока может быть выполнена с использованием некоторых основных частей, таких как ярмо, полюсный сердечник и полюсные наконечники, полюсная катушка и обмотка возбуждения, сердечник якоря, обмотка якоря или проводник, коммутатор, щетки и подшипники. Некоторые из частей машины постоянного тока обсуждаются ниже.

Конструкция машины постоянного тока

Ярмо

Другое название ярма — рама. Основная функция ярма в машине — обеспечивать механическую опору, предназначенную для столбов, и защищать машину в целом от влаги, пыли и т. Д.В ярме используются такие материалы, как чугун, стальное литье или катаная сталь.

Полюс и сердечник полюса

Полюс машины постоянного тока представляет собой электромагнит, а обмотка возбуждения намотана между полюсами. Когда обмотка возбуждения находится под напряжением, полюс дает магнитный поток. Материалы, используемые для этого, — литая сталь, чугун или сердечник полюса. Он может быть изготовлен из отожженных стальных пластин для уменьшения падения мощности из-за вихревых токов.

Башмак для опоры

Башмак для опоры в машине постоянного тока является обширной деталью, а также предназначен для увеличения области полюса.Из-за этой области поток может распространяться внутри воздушного зазора, а также дополнительный поток может проходить через воздушное пространство к якорю. Материал, используемый для изготовления полюсного башмака, — это чугун, в противном случае — литой конь, а также использовалась отожженная стальная пластина для уменьшения потерь мощности из-за вихревых токов.

Обмотки возбуждения

В этом случае обмотки намотаны в области сердечника полюса и называются обмоткой возбуждения. Когда ток подается через обмотку возбуждения, он приводит в действие полюсы, которые создают необходимый магнитный поток.Материал обмоток возбуждения — медь.

Сердечник арматуры

Сердечник арматуры включает в себя огромное количество пазов по краю. В этих пазах находится провод якоря. Он обеспечивает путь с низким сопротивлением к потоку, создаваемому обмоткой возбуждения. Материалы, используемые в этом сердечнике, представляют собой материалы с низким сопротивлением проницаемости, такие как литое железо. Ламинирование используется для уменьшения потерь из-за вихревых токов.

Обмотка якоря

Обмотка якоря может быть образована путем соединения проводников якоря между собой.Когда обмотка якоря поворачивается с помощью первичного двигателя, в ней индуцируется как напряжение, так и магнитный поток. Эта обмотка подключена к внешней цепи. Материалы, используемые для этой обмотки, представляют собой проводящий материал, такой как медь.

Коммутатор

Основная функция коммутатора в машине постоянного тока — собирать ток с проводника якоря, а также подавать ток на нагрузку с помощью щеток. А также обеспечивает однонаправленный крутящий момент для двигателя постоянного тока.Коммутатор может быть построен с огромным количеством сегментов в форме ребра жестко тянутой меди. Сегменты в коммутаторе защищены тонким слоем слюды.

Щетки

Щетки в машине постоянного тока собирают ток от коммутатора и подают его на внешнюю нагрузку. Щетки изнашиваются со временем, чтобы часто проверять. В щетках используются графит, в противном случае — углерод, имеющий прямоугольную форму.

Типы машин постоянного тока

Возбуждение машины постоянного тока подразделяется на два типа, а именно раздельное возбуждение и самовозбуждение.В машинах постоянного тока с отдельным типом возбуждения катушки возбуждения активируются отдельным источником постоянного тока. В машинах постоянного тока с самовозбуждением ток через обмотку возбуждения подается вместе с машиной. Основные типы машин постоянного тока подразделяются на четыре типа, включая следующие.

• Аппарат постоянного тока с независимым возбуждением
• Шунтирующий / шунтирующий аппарат.
• Станок для намотки / серии.
• Машина для комбинированной раны / составной машины.

Отдельно возбуждаемый

В машине постоянного тока с раздельным возбуждением для активации катушек возбуждения используется отдельный источник постоянного тока.

Шунтирующая обмотка

В машинах постоянного тока с шунтирующей обмоткой полевые катушки соединены параллельно через якоря . Поскольку шунтирующее поле получает полное напряжение o / p генератора, иначе — напряжение питания двигателя, оно обычно состоит из огромного количества витков тонкой проволоки с небольшим током возбуждения.

Серийная обмотка

В машинах постоянного тока с последовательной обмоткой катушки возбуждения соединены последовательно через якорь. Поскольку последовательная обмотка возбуждения получает ток якоря, а также большой ток якоря, в связи с этим последовательная обмотка возбуждения включает в себя несколько витков проволоки с большим поперечным сечением.

Составная рана

Составная машина включает в себя как рядные, так и шунтирующие поля. Две обмотки подключены к каждому полюсу машины. Последовательная намотка машины включает в себя несколько витков огромной площади поперечного сечения, а также шунтирующие обмотки включают несколько витков тонкой проволоки.

Подключить составную машину можно двумя способами. Если шунтирующее поле соединено параллельно только якорем, то машину можно назвать « короткой шунтирующей составной машиной », и если шунтирующее поле соединено параллельно как арматурой, так и последовательным полем, тогда машина называется «машина с длинным шунтом».

Уравнение ЭДС машины постоянного тока

Машина постоянного тока e.m.f может быть определено как когда якорь в машине постоянного тока вращается, напряжение может генерироваться внутри катушек. В генераторе ЭДС вращения можно назвать генерируемой ЭДС, а Er = Eg. В двигателе ЭДС вращения можно назвать встречной или обратной ЭДС, а Er = Eb.

Пусть Φ — полезный поток для каждого полюса в пределах паутины

P — общее количество полюсов

z — общее количество проводников внутри якоря

n — скорость вращения якоря при обороте в секунду

А — это нет.параллельных полос по всей арматуре между щетками противоположной полярности.

Z / A — это нет. проводов якоря последовательно для каждой параллельной дорожки

Поскольку магнитный поток для каждого полюса равен ‘Φ’, каждый проводник режет магнитный поток ‘PΦ’ за один оборот.

Напряжение, создаваемое для каждого проводника = наклон магнитного потока для каждого оборота в WB / Время, затраченное на один оборот в течение секунд

Поскольку ‘n’ оборотов завершаются за одну секунду, а 1 оборот будет выполнен за 1 / n секунду .Таким образом, время одного оборота якоря составляет 1 / нсек.

Стандартное значение производимого напряжения для каждого проводника

p Φ / 1 / n = np Φ вольт

Вырабатываемое напряжение (E) может быть определено с помощью количества проводников якоря в серии I любой отдельной полосы из щетки таким образом, все напряжение вырабатывается

E = стандартное напряжение для каждого проводника x нет. проводников в серии для каждой полосы

E = n.P.Φ x Z / A

Вышеприведенное уравнение — это e.м.ф. уравнение машины постоянного тока.

Машина постоянного тока против машины переменного тока

Разница между электродвигателем переменного тока и электродвигателем постоянного тока заключается в следующем.

Двигатель переменного тока	Двигатель постоянного тока
Двигатель переменного тока — это электрическое устройство, которое приводится в действие через двигатель переменного тока	Двигатель постоянного тока является одним из видов вращающихся двигателей, используемых для изменения энергии от постоянного тока до механического.
Они подразделяются на два типа, такие как синхронные и асинхронные двигатели.	Эти двигатели доступны в двух типах, например, щеточные двигатели.
Входное питание двигателя переменного тока — переменный ток	Входное питание двигателя постоянного тока — постоянный ток
В этом двигателе нет щеток и коммутаторов.	В этом двигателе присутствуют угольные щетки и коллекторы.
Входные фазы питания двигателей переменного тока однофазные и трехфазные	Входные фазы питания двигателей постоянного тока однофазные
Характеристики якоря двигателей переменного тока заключаются в том, что якорь неактивен, а магнитное поле вращается.	Характеристики якоря двигателей постоянного тока: якорь вращается, а магнитное поле остается неактивным.
Он имеет три входных терминала, таких как RYB.	Он имеет две входные клеммы, такие как положительный и отрицательный.
Управление скоростью двигателя переменного тока может осуществляться путем изменения частоты.	Управление скоростью двигателя постоянного тока может быть выполнено путем изменения тока обмотки якоря
КПД двигателя переменного тока ниже из-за потери индукционного тока и скольжения двигателя.	Эффективность электродвигателя постоянного тока высока, поскольку отсутствует индукционный ток и скольжение.
Не требует технического обслуживания	Требуется техническое обслуживание
Двигатели переменного тока используются везде, где высокая скорость, а также регулируется крутящий момент, требуется.	Двигатели постоянного тока используются везде, где требуется регулируемая скорость, а также высокий крутящий момент.
На практике они используются в крупных отраслях промышленности	На практике они используются в приборах

Потери в машине постоянного тока

Мы знаем, что основная функция машины постоянного тока заключается в преобразовании механических энергия в электрическую энергию.При использовании этого метода преобразования вся входная мощность не может быть преобразована в выходную мощность из-за потерь мощности в различных формах. Тип потери может меняться от одного устройства к другому. Эти потери снизят эффективность устройства, а также увеличат температуру. Потери энергии в машинах постоянного тока можно разделить на электрические, в противном случае — потери в меди, потери в сердечнике или потери в железе, механические потери, потери в щетках и потери из-за рассеянной нагрузки.

Преимущества машины постоянного тока

Преимущества этой машины заключаются в следующем.

• Машины постоянного тока, такие как двигатели постоянного тока, имеют различные преимущества, такие как высокий пусковой крутящий момент, реверсирование, быстрый запуск и остановка, изменяемые скорости через входное напряжение
• Они очень легко управляются, а также дешевле по сравнению с AC
• Управление скоростью хороший
• Крутящий момент высокий
• Работа без швов
• Без гармоник
• Простота установки и обслуживания

Применение машины постоянного тока

В настоящее время производство электроэнергии может производиться в больших объемах в форме переменного тока (переменный ток).Поэтому использование машин постоянного тока, таких как двигатели и генераторы, генераторы постоянного тока чрезвычайно ограничено, поскольку они используются в основном для обеспечения возбуждения генераторов переменного тока крошечного и среднего диапазона. В промышленности машины постоянного тока используются для различных процессов, таких как сварка, электролитика и т. Д.

Обычно генерируется переменный ток, а затем он преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей. Следовательно, генератор постоянного тока подавляется с помощью источника переменного тока, который выпрямляется для использования в нескольких приложениях.Двигатели постоянного тока часто используются в качестве приводов с регулируемой скоростью и там, где происходят серьезные изменения крутящего момента.

Применение машины постоянного тока в качестве двигателя используется путем разделения на три типа, таких как последовательные, шунтирующие и составные, тогда как применение машины постоянного тока в качестве генератора подразделяется на генераторы с раздельным возбуждением, последовательные и шунтирующие генераторы.

Таким образом, речь идет о машинах постоянного тока. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что машины постоянного тока — это генератор постоянного тока и двигатель постоянного тока.Генератор постоянного тока в основном используется для подачи источников постоянного тока к машине постоянного тока на электростанциях. В то время как двигатель постоянного тока приводит в действие некоторые устройства, такие как токарные станки, вентиляторы, центробежные насосы, печатные машины, электровозы, подъемники, краны, конвейеры, прокатные станы, авто-рикши, льдогенераторы и т. Д. Вот вопрос к вам, что такое коммутация в машина постоянного тока?

Машина постоянного тока — конструкция, принцип работы, типы и применение

Первый коммутатор был изобретен Уильямом Осетром с использованием этой машины в 1837 году.После этого американский изобретатель Томас Дэвенпорт изобрел другую машину постоянного тока коммутаторного типа, а затем были изобретены машины переменного тока. Эта машина используется для управления устройствами, работающими на переменном токе. Машина постоянного тока используется для управления устройствами, использующими однонаправленный ток. Когда мы оцениваем с помощью машин постоянного тока, машины переменного тока имеют больше преимуществ из-за потерь, которые появляются на постоянном токе. Хотя потери больше, машины постоянного тока находят свое значение в современной повседневной жизни.Он имеет уникальную особенность генерирования однонаправленного тока. Таким образом, эти машины используются там, где требуется однонаправленная мощность. Эти машины используются в батареях для генерации однонаправленной энергии. В этой статье дается обзор машины постоянного тока, который включает в себя конструкцию, работу, детали, уравнение ЭДС, типы, ее потери и области применения.

Что такое машина постоянного тока?

Это вращающееся устройство, которое может быть двигателем или генератором. В зависимости от конструкции и работы он классифицируется как двигатель или генератор.Двигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Генератор — это электрическое устройство, которое используется для преобразования энергии из механической в ​​электрическую.

Конструкция

Детали машины

Состоит из ярма, полюсного сердечника, полюсного башмака, сердечника якоря, коллектора, щеток, подшипников и вентилятора.

Хомут используется для защиты устройства от внешних воздействий окружающей среды. Он используется как щит для защиты внутренних частей машины.Он обеспечивает механическую поддержку внутренних частей устройства.

Сердечник полюса состоит из полюсного наконечника, а обмотка возбуждения опирается на полюсный наконечник. Полюсный башмак с обмоткой возбуждения вставляется в пазы полюсного сердечника.

В машине две основные части — это статор и ротор, где статор является неподвижной частью, а ротор — вращающейся частью. В этой машине две обмотки: обмотка возбуждения и обмотка якоря. Расположение этих обмоток может быть таким: обмотка возбуждения расположена на статоре, а обмотка якоря — на роторе.Однако в машине переменного тока устройство обратное для машины переменного тока. Это основное различие между машиной постоянного и переменного тока. Конструкция генератора постоянного тока показана на следующей схеме и показаны его части.

Детали генератора постоянного тока

Сердечник якоря состоит из обмотки якоря, которая опирается на пазы сердечника. Он состоит из пазов зубчатого типа, так что обмотка якоря легко вставляется в пазы.

Коммутатор — это устройство, которое используется для сбора тока с обмотки якоря, тогда как щетка собирает ток с коммутатора.

Для плавной работы используются подшипники. Вентилятор используется для отвода тепла, выделяемого во время работы машины.

It’s Working

Машина постоянного тока работает по закону Фарадея принципа электромагнитной индукции, который гласит, что когда проводник перерезает магнитные силовые линии, внутри проводников индуцируется электромагнитная сила.

В генераторе постоянного тока, когда катушка, помещенная в магнитное поле, вращается с помощью первичного двигателя или любой ручки.Катушки перерезают магнитные силовые линии, чтобы вызвать ЭДС. Эта наведенная ЭДС развивает ток в обмотке якоря. Направление этого тока в генераторах постоянного тока можно наблюдать с помощью правила правой руки Флеминга. Рабочее изображение генератора постоянного тока показано ниже.

Работа генератора

Ток в катушке изменяется каждые полупериод при вращении катушки, что определяется правилом правой руки Флеминга. Благодаря этому возникает переменный ток, который регистрируется гальванометром.Итак, чтобы получить однонаправленный ток, к щеткам прикрепляют сегменты коммутатора. Эти сегменты генерируют однонаправленный ток при вращении катушки. Сегменты плавно проходят между щетками и не позволяют току изменяться. Когда катушка вращается, на половине оборота сегменты вращаются между щетками, но не позволяют току изменить свое направление. Таким образом, генератор постоянного тока может преобразовывать входящую механическую энергию в выходную электрическую энергию постоянного тока.

Работа двигателя постоянного тока и генератора аналогична, однако здесь питание постоянного тока подается на обмотку якоря. Благодаря этому ток течет в катушке, находящейся под магнитным полем. Всякий раз, когда катушка, по которой проходит ток, оказывается под влиянием магнитного поля, которое испытывает силу. Направление силы можно найти с помощью правила левой руки Флеминга. Схема работы двигателя постоянного тока показана ниже.

Работа двигателя постоянного тока

Роль коммутатора в двигателе постоянного тока очень важна.При вращении катушка не может развивать однонаправленный крутящий момент, поскольку действующая сила неоднородна. Ток в катушке на левом конце направлен внутрь, а сила действует вверх по правилу Флеминга. Ток в катушке на правом конце направлен наружу, а сила действует вниз. Эта сила позволяет катушке вращаться по часовой стрелке. Но после полуоборота сила на левом конце будет действовать вниз из-за изменения тока. И сила на правом конце будет действовать вверх из-за изменения тока.

Итак, чтобы развить однонаправленный крутящий момент, сила должна быть равномерной и действовать в одном направлении. Тогда только катушка сможет вращаться по часовой стрелке. Это достигается за счет использования коммутатора, он состоит из сегментов, прикрепленных к щеткам. Эти сегменты позволяют току в катушке быть в том же направлении, что и раньше. Тогда сила будет действовать вверх на левом конце и вниз на правом конце. Это позволяет развивать вращающий момент, который является однонаправленным, и заставляет двигатель работать непрерывно.

Уравнение ЭДС машины постоянного тока

Уравнение ЭДС задается как E = ФZNP / 60A

Пусть

P = количество полюсов

Z = количество проводников, распределенных в якоре

Ф = поток, создаваемый каждый полюс в weber

N = скорость ротора в об / мин

A = нет параллельных путей

Индуцированная ЭДС внутри проводников якоря соответствует закону электромагнитной индукции Фарадея.

, где e = скорость изменения потока, e = dФ / dt

Общий создаваемый поток (Ф _T ) или (dФ) = поток, создаваемый отдельным полюсом * количество полюсов

(Ф _T ) = Ф * P

Время, необходимое для того, чтобы проводник совершил один оборот (dT) = 60 / N

, подставив эти значения в наведенную ЭДС, мы получим

e = Ф * P / 60 / N

e = Ф * P * N / 60 для одного проводника

e = Ф * P * N * Z / 60 * A для проводов Z для A ‘параллельные пути

Таким образом, уравнение ЭДС задается как e = Ф * P * N * Z / 60 * A

Реакция якоря

Противодействие главному магнитному потоку развиваемому потоку якоря равно известная как реакция арматуры.Индуцированная ЭДС возникает, когда катушка вращается в магнитных силовых линиях. Эта наведенная ЭДС позволяет току течь в обмотке якоря, поскольку обмотка представляет собой замкнутую цепь. Этот ток якоря при дальнейшем взаимодействии с магнитными силовыми линиями развивает поток якоря. Этот поток якоря используется для создания реакции якоря. За счет этого создается однонаправленный крутящий момент, который используется для вращения ротора. Реакция якоря этого типа машины показана на следующем изображении.

Рассмотрены обе полевые обмотки якоря

Есть определенные недостатки, связанные также с реакцией якоря. Он искажает или ослабляет магнитный поток, что приводит к снижению генерируемого напряжения в случае генератора.

Коммутация в машинах постоянного тока

Коммутация — это процесс изменения формы переменного напряжения или тока на однонаправленное напряжение или ток и наоборот.

Он состоит из нескольких сегментов, которые играют решающую роль в этом процессе преобразования.Сегменты коммутатора в основном используются в машинах постоянного тока. Он изготовлен из слюды, которая действует как изоляционный материал между двумя сегментами. Он имеет высокую диэлектрическую прочность и сопротивление пробою от 30 до 40 В.

Они используются после якоря для сбора тока с обмотки якоря. Любой из сегментов подключен к щеткам, которые используются для сбора тока от этих сегментов. Сегменты коммутатора со щетками показаны на рисунке ниже.

Сегменты коммутатора в машинах постоянного тока

В этом типе сегменты коммутатора помогают избежать скручивания проводов во время вращения ротора.

В генераторе постоянного тока коммутатор используется для преобразования генерируемого переменного напряжения или тока в однонаправленное напряжение или ток.

В двигателе постоянного тока сегменты коммутатора играют ключевую роль в создании однонаправленного крутящего момента. Эти сегменты используются для изменения тока в катушке таким образом, что создается однонаправленный крутящий момент. А мотор способен вращаться по часовой стрелке.

Потери в машине постоянного тока

В машине есть три типа потерь.Это

потери в меди, потери в железе и паразитные потери.

• Потери в меди подразделяются на три категории: якорные, шунтирующие поля и потери в меди последовательного поля.
• Потери в стали подразделяются на две категории: одни — это вихретоковые, а другие — гистерезисные.
• Паразитные потери подразделяются на две: одна — это фрикционные, а вторая — ветровые потери.

Рисунок, поясняющий классификацию потерь в машине, показан ниже.

Потери в машине постоянного тока

Приложения

• Они используются в различных приложениях, таких как токарные станки, вентиляторы, воздуходувки, воздушные компрессоры, электрическая тяга, краны, лифты и пылесосы.

В этой статье обсуждается обзор машины постоянного тока. Это устройство, которое используется либо для преобразования ME в EE, либо для преобразования EE в ME, в зависимости от его конструкции и работы. Он действует как генератор, когда катушка вращается в магнитном поле, и действует как двигатель, когда на обмотку ротора подается постоянный ток и она находится в магнитном поле.В приведенных выше данных они также включают конструкцию, уравнение ЭДС, рабочие потери и приложения. Вот вам вопрос, в чем разница между генератором и двигателем?

Как работает двигатель постоянного тока?

Теоретически одна и та же машина постоянного тока может использоваться в качестве двигателя или генератора. Следовательно, конструкция двигателя постоянного тока такая же, как и у генератора постоянного тока.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Электродвигатель — это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.Основной принцип работы двигателя постоянного тока : « всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу». Направление этой силы задается правилом левой руки Флеминга, а ее величина определяется как F = BIL. Где B = плотность магнитного потока, I = ток и L = длина проводника в магнитном поле.

Правило левой руки Флеминга : Если мы вытянем первый, второй и большой пальцы левой руки перпендикулярно друг другу, а направление магнитного поля будет представлено первым пальцем, направление тока будет представлено как второй палец, затем большой палец представляет направление силы, действующей на проводник с током.

Анимация: Работа двигателя постоянного тока (предоставлено Lookang)

Анимация, приведенная выше, помогает понять принцип работы двигателя постоянного тока . Когда обмотки якоря подключены к источнику постоянного тока, в обмотке возникает электрический ток. Магнитное поле может создаваться обмоткой возбуждения (электромагнетизм) или постоянными магнитами. В этом случае проводники якоря с током испытывают действие магнитного поля в соответствии с принципом, изложенным выше.

Коммутатор

выполнен сегментированным для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы каждый раз, когда направление движения проводника менялось на противоположное в магнитном поле. Так работает двигатель постоянного тока !

Задняя ЭДС

Согласно фундаментальным законам природы, преобразование энергии невозможно, пока не появится что-то, что препятствует преобразованию. В случае генераторов это противодействие обеспечивается магнитным сопротивлением, а в случае двигателей постоянного тока — противоэдс .

Когда якорь двигателя вращается, проводники также разрезают линии магнитного потока и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в проводниках якоря индуцируется ЭДС. Направление этой наведенной ЭДС таково, что она противодействует току якоря (I _a ). На схеме ниже показано направление обратной ЭДС и тока якоря . Величина обратной ЭДС может быть задана уравнением ЭДС генератора постоянного тока.

Значение обратной ЭДС:

Величина обратной ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя. Представьте, что нагрузка на двигатель постоянного тока внезапно уменьшилась. В этом случае требуемый крутящий момент будет мал по сравнению с текущим крутящим моментом. Скорость двигателя начнет увеличиваться из-за превышения крутящего момента. Следовательно, величина обратной ЭДС пропорциональна скорости. С увеличением обратной ЭДС ток якоря начнет уменьшаться. Поскольку крутящий момент пропорционален току якоря, он также будет уменьшаться, пока не станет достаточным для нагрузки.Таким образом, скорость мотора будет регулироваться.

С другой стороны, если двигатель постоянного тока внезапно нагружается, эта нагрузка вызовет снижение скорости. Из-за уменьшения скорости обратная ЭДС также уменьшится, что приведет к увеличению тока якоря. Повышенный ток якоря увеличит крутящий момент, чтобы удовлетворить требованиям нагрузки. Следовательно, наличие обратной ЭДС делает двигатель постоянного тока «саморегулирующимся» .

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока обычно классифицируются в зависимости от конфигурации возбуждения:

• С отдельным возбуждением (обмотка возбуждения питается от внешнего источника)
• Самовозбуждение —
• Последовательная обмотка (обмотка возбуждения включена последовательно с якорем)
• Шунтирующая обмотка (обмотка возбуждения включена параллельно якорю)
• Сложная рана —

См. Схему классификации машин постоянного тока здесь.

Основная конструкция и работа генератора постоянного тока.

Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электричество постоянного тока . Это преобразование энергии основано на принципе создания динамически индуцированной ЭДС. В этой статье описывается базовая конструкция и работа генератора постоянного тока .

Конструкция машины постоянного тока:

Примечание: Теоретически генератор постоянного тока можно использовать в качестве двигателя постоянного тока без каких-либо конструктивных изменений, и наоборот.Таким образом, генератор постоянного тока или двигатель постоянного тока в широком смысле можно назвать машиной постоянного тока . Эти основные конструктивные особенности также действительны для конструкции двигателя постоянного тока . Следовательно, давайте назовем эту точку конструкцией машины постоянного тока , а не просто «конструкцией генератора постоянного тока».

На приведенном выше рисунке показаны детали конструкции простой 4-полюсной машины постоянного тока . Машина постоянного тока состоит из двух основных частей; статор и ротор. Основные конструктивные части машины постоянного тока описаны ниже.

1. Хомут: Наружная рама машины постоянного тока называется хомутом. Он сделан из чугуна или стали. Он не только обеспечивает механическую прочность всей сборки, но также несет магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения.
2. Столбы и полюсные наконечники: Столбы соединяются с ярмом с помощью болтов или сварки. Они несут обмотки возбуждения и к ним крепятся полюсные наконечники. Полюсные туфли служат двум целям; (i) они поддерживают катушки возбуждения и (ii) равномерно распределяют поток в воздушном зазоре.
3. Обмотка возбуждения: Обычно они изготавливаются из меди. Катушки возбуждения предварительно намотаны и размещены на каждом полюсе и соединены последовательно. Они намотаны таким образом, что под напряжением образуют чередующиеся северный и южный полюса.

Сердечник якоря (ротор)

4. Сердечник якоря: Сердечник якоря — это ротор машины постоянного тока. Он имеет цилиндрическую форму с прорезями для размещения обмотки якоря.Якорь состоит из тонких многослойных круглых стальных дисков для уменьшения потерь на вихревые токи. Он может быть снабжен воздуховодами для осевого воздушного потока с целью охлаждения. Якорь прикреплен к валу шпонкой.
5. Обмотка якоря: Обычно это бывшая намотанная медная катушка, которая находится в пазах якоря. Жилы якоря изолированы друг от друга, а также от сердечника якоря. Обмотку якоря можно намотать одним из двух способов; намотка внахлест или волновая намотка. Обычно используются двухслойные нахлесточные или волновые обмотки.Двухслойная обмотка означает, что каждый паз якоря будет иметь две разные катушки.
6. Коммутатор и щетки: Физическое соединение с обмоткой якоря осуществляется через устройство коллектор-щетка. Функция коммутатора в генераторе постоянного тока состоит в том, чтобы собирать ток, генерируемый в проводниках якоря. В то время как в случае двигателя постоянного тока коммутатор помогает подавать ток на проводники якоря. Коммутатор состоит из набора медных сегментов, изолированных друг от друга.Количество сегментов равно количеству витков якоря. Каждый сегмент соединен с катушкой якоря, а коммутатор прикреплен к валу шпонкой. Щетки обычно делают из углерода или графита. Они опираются на сегменты коммутатора и скользят по сегментам, когда коммутатор вращается, сохраняя физический контакт для сбора или подачи тока.

Коммутатор

Принцип работы генератора постоянного тока:

Согласно законам электромагнитной индукции Фарадея, всякий раз, когда проводник помещается в изменяющееся магнитное поле (ИЛИ проводник перемещается в магнитном поле), в проводнике индуцируется ЭДС (электродвижущая сила).Величину наведенной ЭДС можно рассчитать из уравнения ЭДС генератора постоянного тока. Если в проводнике предусмотрен замкнутый путь, индуцированный ток будет циркулировать внутри пути. В генераторе постоянного тока катушки возбуждения создают электромагнитное поле, а проводники якоря вращаются в поле. Таким образом, в проводниках якоря возникает ЭДС электромагнитного поля. Направление индуцированного тока определяется правилом правой руки Флеминга.

Потребность в коммутаторе с разъемным кольцом:

Согласно правилу правой руки Флеминга, направление индуцированного тока изменяется всякий раз, когда изменяется направление движения проводника.Рассмотрим якорь, вращающийся по часовой стрелке, а проводник слева движется вверх. Когда якорь совершит половину оборота, направление движения этого конкретного проводника изменится на нисходящее. Следовательно, направление тока в каждом проводнике якоря будет переменным. Если вы посмотрите на приведенный выше рисунок, вы узнаете, как меняется направление индуцированного тока в проводнике якоря. Но в коммутаторе с разъемным кольцом соединения проводов якоря также меняются местами, когда происходит реверсирование тока.А значит, на выводах получаем однонаправленный ток.

Типы генератора постоянного тока:

Генераторы постоянного тока можно разделить на две основные категории, а именно; (i) отдельно возбужденный и (ii) самовозбужденный.
(i) С отдельным возбуждением : В этом типе катушки возбуждения получают питание от независимого внешнего источника постоянного тока.
(ii) Самовозбуждающийся : В этом типе катушки возбуждения получают питание от тока, производимого самим генератором. Первоначальная генерация ЭДС происходит из-за остаточного магнетизма в полюсах поля.Генерируемая ЭДС заставляет часть тока течь в катушках возбуждения, тем самым усиливая поток поля и тем самым увеличивая генерацию ЭДС. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением можно разделить на три типа —
(а) Последовательная обмотка — обмотка возбуждения последовательно с обмоткой якоря
(b) Шунтирующая обмотка — обмотка возбуждения параллельно обмотке якоря
(c) Составная обмотка — комбинация последовательной и параллельной обмоток

Вы можете узнать больше о типах генераторов / машин постоянного тока здесь.

Общие сведения о режимах работы двигателя постоянного тока и методах регулирования скорости

Обычно эти двигатели используются в оборудовании, требующем некоторой формы управления вращением или движением. Двигатели постоянного тока являются важными компонентами многих проектов в области электротехники. Хорошее понимание работы двигателя постоянного тока и регулирования скорости двигателя позволяет инженерам разрабатывать приложения, которые обеспечивают более эффективное управление движением.

В этой статье мы подробно рассмотрим доступные типы двигателей постоянного тока, их режим работы и способы управления скоростью.

Что такое двигатели постоянного тока?

Как и двигатели переменного тока, двигатели постоянного тока также преобразуют электрическую энергию в механическую. Их работа обратна генератору постоянного тока, который вырабатывает электрический ток. В отличие от двигателей переменного тока, двигатели постоянного тока работают от постоянного тока — несинусоидальной, однонаправленной мощности.

Базовая конструкция

Хотя двигатели постоянного тока имеют различную конструкцию, все они содержат следующие основные части:

• Ротор (вращающаяся часть машины; также известная как «якорь»)
• Статор (обмотки возбуждения, или «неподвижная» часть двигателя)
• Коммутатор (может быть щеточным или бесщеточным, в зависимости от типа двигателя)
• Полевые магниты (создают магнитное поле, которое вращает ось, соединенную с ротором)

На практике двигатели постоянного тока работают на основе взаимодействия между магнитными полями, создаваемыми вращающимся якорем, и магнитными полями статора или неподвижного компонента.

Бессенсорный контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока. Изображение любезно предоставлено Kenzi Mudge.

Принцип работы

Двигатели

постоянного тока работают по принципу электромагнетизма Фарадея, согласно которому проводник с током испытывает силу, когда помещается в магнитное поле. Согласно «правилу левой руки для электродвигателей» Флеминга, этот проводник всегда движется в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю.

Математически мы можем выразить эту силу как F = BIL (где F — сила, B — магнитное поле, I — ток, а L — длина проводника).

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока

делятся на разные категории в зависимости от конструкции. Наиболее распространенные типы включают щеточный или бесщеточный, постоянный магнит, последовательный и параллельный.

Щеточные и бесщеточные двигатели

В щеточном двигателе постоянного тока используется пара графитовых или угольных щеток, которые служат для отвода или отвода тока от якоря.Эти щетки обычно хранятся в непосредственной близости от коммутатора. Другие полезные функции щеток в двигателях постоянного тока включают обеспечение безискровой работы, управление направлением тока во время вращения и поддержание чистоты коллектора.

Бесщеточные двигатели постоянного тока не содержат угольных или графитовых щеток. Обычно они содержат один или несколько постоянных магнитов, которые вращаются вокруг фиксированного якоря. Вместо щеток в бесщеточных двигателях постоянного тока используются электронные схемы для управления направлением вращения и скоростью.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят из ротора, окруженного двумя противоположными постоянными магнитами. Магниты создают поток магнитного поля при прохождении постоянного тока, который заставляет ротор вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки, в зависимости от полярности. Основным преимуществом этого типа двигателя является то, что он может работать с синхронной скоростью с постоянной частотой, что позволяет оптимально регулировать скорость.

Двигатели постоянного тока с серийной обмоткой

В двигателях серии

последовательно соединены обмотки статора (обычно из медных стержней) и обмотки возбуждения (медные катушки).Следовательно, ток якоря и токи возбуждения равны. Сильный ток протекает непосредственно от источника питания в обмотки возбуждения, которые толще и меньше, чем в параллельных двигателях. Толщина обмоток возбуждения увеличивает грузоподъемность двигателя, а также создает мощные магнитные поля, которые придают серийным двигателям постоянного тока очень высокий крутящий момент.

Параллельные двигатели постоянного тока

Шунтирующий двигатель постоянного тока имеет якорь и обмотки возбуждения, соединенные параллельно. Благодаря параллельному соединению обе обмотки получают одинаковое напряжение питания, но возбуждаются отдельно.Шунтовые двигатели обычно имеют больше витков на обмотках, чем последовательные двигатели, что создает мощные магнитные поля во время работы. Параллельные двигатели могут иметь отличную регулировку скорости даже при переменных нагрузках. Однако им обычно не хватает высокого пускового момента серийных двигателей.

Электродвигатель и цепь управления скоростью, установленная в мини-дрели. Изображение предоставлено Дилшаном Р. Джаякоди

Контроль скорости двигателя постоянного тока

Существует три основных способа регулирования скорости в последовательных двигателях постоянного тока: регулирование магнитного потока, регулирование напряжения и регулирование сопротивления якоря.

1. Метод контроля потока

В методе управления магнитным потоком реостат (разновидность переменного резистора) подключается последовательно с обмотками возбуждения. Назначение этого компонента — увеличить последовательное сопротивление в обмотках, что снизит магнитный поток и, как следствие, увеличит скорость двигателя.

2. Метод регулирования напряжения

Метод переменного регулирования обычно используется в шунтирующих двигателях постоянного тока.Опять же, есть два способа управления регулированием напряжения:

• Подключение шунтирующего поля к фиксированному напряжению возбуждения при питании якоря разными напряжениями (также известное как управление несколькими напряжениями)

• Изменение напряжения, подаваемого на якорь (также известный как метод Уорда Леонарда)

3. Метод контроля сопротивления якоря

Контроль сопротивления якоря основан на том принципе, что скорость двигателя прямо пропорциональна обратной ЭДС.Таким образом, если напряжение питания и сопротивление якоря поддерживаются на постоянном уровне, скорость двигателя будет прямо пропорциональна току якоря.

Принципы работы электродвигателей постоянного тока

Двигатель постоянного тока (DC) — одна из первых машин, предназначенных для преобразования электроэнергии в механическую. Постоянный магнит (ПМ) постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую за счет взаимодействия двух магнитных полей.Одно поле создается узлом постоянного магнита, другое поле создается электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который стремится вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, чтобы обеспечить постоянный выходной крутящий момент. Стационарное электромагнитное поле двигателя также может быть намотано проволокой, как якорь (так называемый двигатель с возбужденным полем), или может состоять из постоянных магнитов (называемых постоянным магнитом. мотор). Коммутатор любого типа (с возбужденным полем или с постоянным магнитом). действует как половина механического переключателя и вращается вместе с якорем. Коммутатор состоит из токопроводящих сегментов (называемых стержнями), обычно сделанных из меди, которые представляют собой окончание отдельных катушек провода, распределенных вокруг якоря. Вторая половина механического переключателя комплектуется щетками. Эти щетки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя, но движутся (или кисть) на вращающемся коммутаторе.Поскольку электрическая энергия проходит через щетки и, следовательно, через якорь, возникает скручивающая сила как реакция между полем двигателя и якорем, вызывающая вращение якоря двигателя. Когда якорь вращается, щетки переключаются на соседние стержни на коммутаторе. Это переключающее действие передает электрическую энергию соседней обмотке якоря, которая, в свою очередь, поддерживает крутильное движение якоря. Двигатели с постоянными магнитами (PM), вероятно, являются наиболее часто используемыми двигателями постоянного тока, но есть также некоторые другие типы двигателей постоянного тока (типы, которые также используют катушки для создания постоянного магнитного поля).Двигатели постоянного тока работают от источника постоянного тока. Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется «коммутацией». Очень многие двигатели постоянного тока (щеточного типа) имеют встроенную коммутацию, что означает, что при вращении двигателя механические щетки автоматически коммутируют катушки на роторе. Вы можете использовать щеточные двигатели постоянного тока в самых разных областях. Простой двигатель постоянного тока с постоянными магнитами является важным элементом в различных продуктах, таких как игрушки, сервомеханизмы, приводы клапанов, роботы и автомобильная электроника.Есть несколько типичных преимуществ двигателя с постоянными магнитами. По сравнению с двигателями переменного или постоянного тока с возбуждением от возбуждения, двигатели с постоянными магнитами обычно физически меньше по габаритам и легче при заданной номинальной мощности. Кроме того, поскольку поле двигателя, создаваемое постоянным магнитом, постоянно, соотношение между крутящим моментом и скоростью очень линейно. Двигатель с постоянными магнитами может обеспечивать относительно высокий крутящий момент на низких скоростях, а поле с постоянными магнитами обеспечивает некоторое внутреннее самоторможение при отключении питания двигателя. Есть несколько недостатков, в основном это большой ток во время останова и во время мгновенного реверсирования.Это может повредить некоторые двигатели или создать проблемы для схемы управления. Кроме того, некоторые материалы магнита могут быть повреждены при воздействии чрезмерного тепла и некоторой ослабленной напряженности поля, если двигатель разбирается. Для крупногабаритных предметов повседневного обихода, таких как ручные дрели и кухонная техника, используется серводвигатель постоянного тока, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели представляют собой двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой, в которых неподвижная и вращающаяся катушки представляют собой последовательно соединенные провода. Эти двигатели могут работать как от переменного, так и от постоянного тока.Одним из недостатков / мер предосторожности, связанных с двигателями постоянного тока с последовательной обмоткой, является то, что если они разгружены, единственное, что ограничивает их скорость, — это потери на ветер и трение. Некоторые могут буквально разорвать сами по себе, если запустить без нагрузки. Бесщеточный двигатель работает так же, как и традиционный щеточный двигатель. Однако, как следует из названия, щеток (и коммутатора) нет. Функция механического переключения, реализуемая комбинацией щетки и коммутатора в щеточном двигателе, заменена электронным переключением в бесщеточном двигателе.В типичном бесщеточном двигателе электромагнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, является вращающимся элементом двигателя и называется ротором. Вращающийся Магнитное поле создается несколькими электромагнитами, коммутируемыми с электронными переключателями (обычно транзисторами или полевыми транзисторами) в правильном порядке при правильной скорости. В бесщеточном двигателе хитрость заключается в том, чтобы узнать, когда переключить электрическую энергию в обмотках, чтобы сохранить вращательное движение. Обычно это достигается в бесщеточном двигателе с помощью некоторых средств обратной связи, предназначенных для индикации положения полюсов магнита на роторе относительно обмоток.А Устройство на эффекте Холла (HED) является широко используемым средством для обеспечения этой позиционной обратной связи. В некоторых приложениях бесщеточные двигатели коммутируются без датчиков или с использованием энкодера для обратной связи по положению. Бесщеточный двигатель часто используется, когда требуются высокая надежность, длительный срок службы и высокие скорости. Подшипники в бесщеточном двигателе обычно становятся единственными изнашиваемыми деталями. В приложениях, где требуются высокие скорости (обычно выше 30000 об / мин), бесщеточный двигатель считается лучший выбор (поскольку с увеличением скорости двигателя увеличивается износ щеток традиционных двигателей).Управление коммутацией бесщеточного двигателя может быть легко отделено и интегрировано в другую необходимую электронику, тем самым улучшая эффективное соотношение мощности к весу и / или мощности к объему. Бесщеточный двигатель (двигатель и контроллер коммутации) обычно будет стоить больше, чем щеточный, но стоимость часто может быть компенсирована другими преимуществами. Например, в приложениях, где требуется сложный контроль работы двигателя. В настоящее время бесщеточные двигатели используются во многих компьютерных приложениях, например, они вращают обычные вентиляторы ПК, жесткие диски и дисководы. Иногда необходимо изменить направление вращения. В обычных двигателях с постоянными магнитами это вращение изменяется путем изменения полярности рабочей мощности (например, путем переключения с отрицательного источника питания на положительный или путем смены клемм питания, идущих к источнику питания). Это изменение направления обычно реализуется с помощью реле или схемы, называемой H-мостом. Есть некоторые типичные характеристики щеточных двигателей постоянного тока. Когда двигатель постоянного тока подключен напрямую к батарее (без контроллера), он потребляет большой импульсный ток при подключении.Бросок возникает из-за того, что двигатель, когда он вращается, действует как генератор. Генерируемое напряжение прямо пропорционально скорости двигателя. Ток через двигатель регулируется разницей между напряжением батареи и генерируемым двигателем напряжением (иначе называемым обратной ЭДС). Когда двигатель впервые подключается к аккумуляторной батарее (без регулятор скорости мотора) обратной ЭДС нет. Таким образом, ток регулируется только напряжением батареи, сопротивлением двигателя (и индуктивностью) и проводами батареи.Таким образом, без обратной ЭДС двигатель, прежде чем он начнет вращаться, потребляет большой импульсный ток. Когда используется контроллер скорости двигателя, он изменяет напряжение, подаваемое на двигатель. Первоначально при нулевой скорости контроллер не будет подавать напряжение на двигатель, поэтому ток не течет. По мере увеличения выходного напряжения контроллера скорости двигателя, мотор начнет вращаться. Сначала напряжение, подаваемое на двигатель, небольшое, поэтому ток также невелик, и по мере увеличения напряжения контроллера скорости двигателя увеличивается и обратная ЭДС двигателя.В результате начальный выброс тока устраняется, ускорение становится плавным и полностью контролируемым. В управлении скоростью двигателя постоянного тока нет ничего нового. Самый простой способ контролировать скорость вращения двигателя постоянного тока — это управлять его управляющим напряжением. Чем выше напряжение, тем более высокую скорость пытается достичь двигатель. Во многих приложениях простое регулирование напряжения приведет к значительным потерям мощности в цепи управления, поэтому во многих приложениях управления двигателями постоянного тока используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ).В основном методе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) рабочая мощность двигателей равна включается и выключается, чтобы модулировать ток, подаваемый на двигатель. Отношение времени включения к времени выключения определяет скорость двигателя. При управлении ШИМ имейте в виду, что двигатель — это устройство с низким проходом. Причина в том, что двигатель в основном представляет собой большой индуктор. Он не способен передавать высокочастотную энергию и, следовательно, не будет хорошо работать с высокими частотами. Требуются достаточно низкие частоты, и тогда будут работать методы ШИМ.Более низкие частоты обычно лучше, чем более высокие частоты, но ШИМ перестает работать на слишком низкой частоте. Идея о том, что более низкая частота ШИМ работает лучше, просто отражает то, что цикл включения должен быть довольно широким, прежде чем двигатель будет потреблять какой-либо ток (из-за индуктивности двигателя). Более высокая частота ШИМ будет работать нормально, если вы повесите большой конденсатор на двигатель или закоротите двигатель в цикле выключения (например, мощность / тормозной импульс). Причина этого в том, что короткие импульсы не позволяют протекать большому току раньше. существование отрезать.Затем протекающий ток рассеивается в виде индуктивного удара — вероятно, в виде тепла через обратные диоды. Конденсатор интегрирует импульс и обеспечивает более длительный, но более низкий ток через двигатель после отключения драйвера. Индуктивного толчка тоже нет, так как ток не прерывается. Знание частоты спада нижних частот двигателя помогает определить оптимальную частоту для работы ШИМ. Попробуйте протестировать свой двигатель с прямоугольным рабочим циклом используя переменную частоту, а затем наблюдайте за падением крутящего момента по мере увеличения частоты.Этот метод может помочь определить точку спада с точки зрения энергоэффективности. Помимо щеточных двигателей постоянного тока, существует еще один тип двигателя постоянного тока: бесщеточный двигатель постоянного тока. Бесщеточные двигатели постоянного тока используют внешний силовой привод для коммутации неподвижной медной обмотки статора. Это изменяющееся поле статора заставляет вращаться ротор с постоянным магнитом. Бесщеточный электродвигатель с постоянными магнитами является наиболее эффективным. двигатель с точки зрения крутящего момента / веса или эффективности.Бесщеточные двигатели обычно являются самым дорогим типом двигателей. Бесщеточные двигатели постоянного тока с электронной коммутацией широко используются в качестве приводов нагнетателей и вентиляторов в электронике, телекоммуникациях и промышленном оборудовании. Существует большое количество различных бесщеточных двигателей для различных областей применения. Некоторые из них предназначены для вращения с постоянной скоростью (те, что используются в дисковых накопителях), а скорость некоторых можно контролировать. изменяя приложенное к ним напряжение (обычно это двигатели, используемые в вентиляторах).Некоторые бесщеточные двигатели постоянного тока имеют встроенный тахометр, который выдает импульсы при вращении двигателя (это относится как к двигателям дисководов, так и к некоторым вентиляторам компьютеров). Как правило, пользователи выбирают электродвигатели постоянного тока щеточного типа, когда низкая стоимость системы является приоритетом, и бесщеточные электродвигатели для удовлетворения других требований (таких как работа без обслуживания, высокие скорости и взрывоопасные среды, где искрение может быть опасным). Тип кисти DC двигатели используются во многих устройствах с батарейным питанием. Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно используются в таких приложениях, как вентиляторы с питанием от постоянного тока и двигатели вращения дисков.

Двигатель постоянного тока Принцип работы, конструкция и пояснения к схемам

Очень важно знать принцип работы и конструкцию двигателя постоянного тока, чтобы освоить основы двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую. Входная электрическая энергия поступает от аккумуляторных батарей, солнечных элементов и т. Д. Генерируемая механическая энергия в дальнейшем используется для вращения насосов, вентиляторов, компрессоров, колес и т. Д.

Как правило, двигатели переменного тока широко используются в промышленности. Но когда дело доходит до высокого пускового момента или эффективного управления скоростью, двигатели постоянного тока являются оптимальным выбором. Они используются в алюминиевых прокатных станах, электрических лифтах, железнодорожных локомотивах и крупном землеройном оборудовании.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА:

Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что проводник с током испытывает механическую силу, когда помещается в магнитное поле. Это известно как сила Лоренца.И направление этой силы задает ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ ФЛЕМИНГА.

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ ФЛЕМИНГА

Если растянуть указательный, средний и большой пальцы левой руки перпендикулярно друг другу. Если указательный палец указывает направление магнитного поля, средний палец указывает направление тока через проводник, то большой палец указывает направление силы, действующей на проводник.

Правило левой руки Флеминга

КОНСТРУКЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ постоянного тока

Все машины постоянного тока в основном состоят из двух частей.Один — это статор , а другой — Ротор . Статор — это неподвижная часть, которая включает ярмо, полюс, обмотку полюса и межполюсные полюса. Статор создает магнитный поток.

Ротор машины постоянного тока состоит из коллектора, щеток, компенсационной обмотки и вала. Он вращается во внешнем магнитном потоке (создаваемом статором), когда в нем протекает ток.

Конструкция двигателя постоянного тока

ЧАСТИ СТАТОРА: —

ХОМУТ:

Ярмо или внешняя рама обеспечивает защиту двигателя постоянного тока.Он изготовлен из литой стали для больших двигателей постоянного тока. А из чугуна для малых двигателей постоянного тока. Ярмо используется в машине постоянного тока, потому что:

A) Обеспечивает механическую поддержку полюсов.

B) Действует как защитное покрытие от механических повреждений.

C) И обеспечивает проход для магнитного потока, создаваемого полюсами машины.

Хомут

СЕРДЕЧНИК И ОБУВЬ ПОЛЮСА:

Как полюсный сердечник, так и полюсные наконечники изготовлены из литой стали.Но полюсные башмаки ламинированные, так как они расположены близко к арматуре.

Если нагрузка изменяется во время работы двигателя постоянного тока, изменяется ток якоря. В результате меняется и магнитный поток. Этот поток связывает полюсный башмак и вызывает протекание вихревого тока . А чтобы свести к минимуму эти вихревые токи, полюсные наконечники ламинированы.

Основное назначение полюсного башмака — распределение магнитного потока и уменьшение магнитного сопротивления магнитного пути. В то время как полюсный сердечник возбуждается обмоткой возбуждения и используется для их поддержки.

Опорный сердечник и полюсный башмак

ПОЛЮСНАЯ НАМОТКА ИЛИ ПОЛЕВАЯ КАТУШКИ

Обмотка полюса и катушки возбуждения состоят из медного провода, размещенного вокруг сердечника полюса. Когда ток проходит через эти катушки, они намагничивают полюс, который создает магнитный поток. Этот поток проходит через ротор и создает вращающий момент, как только ток начинает течь в якоре ротора.

Обмотка возбуждения на полюсах

ЧАСТИ РОТОРА: —

ЯДЕР АРМАТУРЫ

Сердечник якоря — это вращающаяся часть машины постоянного / переменного тока.Он изготовлен из кремнистой стали . Цилиндрическая конструкция имеет многослойную структуру для уменьшения потерь на вихревые токи. Его основная цель — обеспечить путь магнитному потоку с низким сопротивлением. И для размещения проводников арматуры.

АРМАТУРА ОБМОТКА

Обмотка якоря состоит из катушек, встроенных в пазы сердечника якоря. Эти катушки выложены рядом друг с другом из прочного изоляционного материала. Изоляционный материал предотвращает короткое замыкание двух соседних катушек.

В то время как изоляция паза наматывается на провод якоря и прочно закрепляется деревянными или фибровыми клиньями. Проще говоря, это расположение проводников с током, которые создают ЭДС в машине из-за относительного движения между обмотками и основным полем.

Обмотка якоря

КОММУТАТОР

Коммутатор содержит жестко вытянутые медные сегменты клиновидной формы, образующие цилиндрическую конструкцию. Тонкий лист высококачественной слюды изолирует сегменты друг от друга.

Коммутатор периодически меняет направление тока между ротором и внешней цепью. Следовательно, он действует как переключатель, вызывающий однонаправленный крутящий момент в двигателе постоянного тока.

Коммутатор Кольцо

ЩЕТКИ

Щетки обычно изготавливаются из угольных блоков прямоугольной формы, помещенных в щеткодержатели. Функция щеток в двигателях постоянного тока заключается в подаче тока на коммутатор от внешнего источника постоянного тока.

В то время как функция щеток в генераторе постоянного тока состоит в том, чтобы собирать ток от коммутатора и подавать его во внешнюю цепь нагрузки.

Пара угольных щеток

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Принцип работы двигателя постоянного тока требует наличия магнитного потока и токоведущего проводника. Рассмотрим катушку, пропускающую постоянный ток через коммутатор и щетки. Эти сегменты коммутатора свободно вращаются вокруг своей оси.

Работа двигателя постоянного тока

Сегмент коммутатора, который соприкасается с левой щеткой, получает положительную полярность, а правый — отрицательную.Это приводит к протеканию тока в катушке.

Применяя правило левой руки Флеминга, проводник на левой стороне всегда испытывает силу, направленную вверх, в то время как проводник на правой стороне испытывает силу, направленную вниз. Следовательно, в двигателях постоянного тока достигается однонаправленный крутящий момент.

ЗАДНЯЯ ЭДС

Взаимодействие проводника с током с изменяющимся магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения, вызывает в проводнике ЭДС. Эта ЭДС действует в направлении, противоположном приложенному напряжению.