Назначение коллектора в двигателе постоянного тока. Коллекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство и виды

Как работает коллекторный двигатель постоянного тока. Какие основные части входят в его конструкцию. Какие существуют виды возбуждения коллекторных двигателей постоянного тока. Каковы преимущества и недостатки этих электродвигателей.

Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока

Коллекторный двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую работу вращения вала. Его принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора.

Основные элементы конструкции:

• Статор — неподвижная часть с обмоткой возбуждения
• Ротор (якорь) — вращающаяся часть с обмоткой
• Коллектор — устройство для подвода тока к обмотке якоря
• Щетки — обеспечивают скользящий контакт с коллектором

При подаче питания ток проходит через обмотку статора, создавая магнитное поле. Ток в обмотке якоря, взаимодействуя с полем статора, создает вращающий момент. Коллектор обеспечивает нужное направление тока в роторе при его вращении.

Устройство коллекторного двигателя постоянного тока

Рассмотрим подробнее основные части коллекторного двигателя постоянного тока:

Статор

Статор представляет собой корпус двигателя, на внутренней поверхности которого закреплены главные полюсы с обмотками возбуждения. Они создают основное магнитное поле машины.

Якорь (ротор)

Якорь — это вращающаяся часть двигателя. Он состоит из:

• Сердечника из листовой электротехнической стали
• Обмотки из изолированных проводников
• Коллектора для подвода тока
• Вала для передачи вращающего момента

Коллектор

Коллектор выполнен в виде цилиндра из медных пластин, изолированных друг от друга. К пластинам подключаются секции обмотки якоря. Коллектор обеспечивает переключение тока в обмотках при вращении.

Щеточный узел

Щетки прижимаются пружинами к поверхности коллектора, образуя скользящий контакт. Через них подводится питание к обмотке якоря. Щетки изготавливаются из графита или металлографитовых композиций.

Виды возбуждения коллекторных двигателей постоянного тока

По способу возбуждения магнитного поля различают следующие типы двигателей:

С независимым возбуждением

Обмотка возбуждения питается от отдельного источника. Это позволяет независимо регулировать ток возбуждения и якоря.

С параллельным возбуждением

Обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. Ток возбуждения мало зависит от нагрузки двигателя.

С последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Ток возбуждения равен току якоря. Такие двигатели развивают большой пусковой момент.

Со смешанным возбуждением

Имеет две обмотки возбуждения — параллельную и последовательную. Сочетает свойства двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.

Преимущества и недостатки коллекторных двигателей постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока имеют ряд достоинств:

• Высокий пусковой момент
• Широкий диапазон регулирования частоты вращения
• Возможность реверса
• Высокий КПД
• Компактность

К недостаткам можно отнести:

• Наличие щеточно-коллекторного узла, требующего обслуживания
• Искрение щеток
• Относительно высокая стоимость
• Сложность конструкции

Области применения коллекторных двигателей постоянного тока

Благодаря своим характеристикам, коллекторные двигатели постоянного тока нашли широкое применение:

• Электротранспорт (электровозы, трамваи, троллейбусы)
• Станочное оборудование
• Подъемно-транспортные механизмы
• Прокатные станы
• Электроинструмент
• Бытовая техника

Они особенно эффективны там, где требуется плавное регулирование скорости в широком диапазоне.

Регулирование частоты вращения коллекторных двигателей постоянного тока

Существует несколько способов изменения скорости вращения коллекторных двигателей постоянного тока:

Изменение напряжения питания якоря

При уменьшении напряжения снижается частота вращения. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне.

Изменение тока возбуждения

Уменьшение тока возбуждения приводит к увеличению скорости вращения. Этот способ применяется для регулирования выше номинальной скорости.

Введение сопротивления в цепь якоря

Включение добавочного сопротивления позволяет снизить частоту вращения. Однако этот способ неэкономичен из-за потерь энергии в резисторах.

Особенности пуска коллекторных двигателей постоянного тока

При прямом подключении к сети в момент пуска возникает большой пусковой ток, во много раз превышающий номинальный. Это может привести к повреждению двигателя.

Для ограничения пускового тока применяют следующие способы:

• Включение пускового реостата в цепь якоря
• Понижение напряжения питания при пуске
• Использование специальных пусковых устройств

Выбор способа пуска зависит от мощности двигателя и условий эксплуатации.

Универсальные коллекторные двигатели

Особую группу составляют универсальные коллекторные двигатели, способные работать как от постоянного, так и от переменного тока. Их особенности:

• Последовательное возбуждение
• Компактные размеры
• Высокая частота вращения
• Большой пусковой момент

Такие двигатели широко применяются в бытовой технике и электроинструменте.

Коллекторные двигатели постоянного тока, несмотря на появление современных бесколлекторных машин, продолжают успешно применяться во многих отраслях благодаря своим уникальным характеристикам.

Двигатели Коллекторные Постоянного Тока: Принцип Действия

Машина постоянного тока коллекторная в разрезе

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

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

Основные понятия

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

Как устроен двигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока коллекторный – строение

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

Итак, давайте по порядку:

Коллекторный двигатель постоянного тока — якорь

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

Ремонт коллектора двигателей постоянного тока – в домашних условиях практически невозможен

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

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

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

Электродвигатель коллекторный постоянного тока – статор

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

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

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

Двигатель постоянного тока коллекторного типа нуждается в щетках

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

Электромагнитная индукция

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

Коллекторные двигатели постоянного тока – разбираем принцип работы

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

Так бы работал двигатель постоянного тока, коллектора в котором нет

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

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

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

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

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

Коллекторы для электродвигателей постоянного тока не дают току менять свое направление

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

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

Принцип работы двигателя постоянного тока

Коллекторные электродвигатели постоянного тока

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

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

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

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

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

Разновидности двигателей постоянного тока

Коллекторный электродвигатель постоянного тока для компактных устройств

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

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

Двигатели постоянного тока коллекторные

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

Способы возбуждения двигателей постоянного тока

Способы подключения двигателей постоянного тока

Существует четыре способа возбуждения двигателя постоянного тока.

Независимое возбуждение

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

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

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

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

Параллельное возбуждение

Схема параллельного возбуждения

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

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

Последовательное возбуждение

Схема с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения имеет последовательное с якорем подключение.

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

Механическая характеристика двигателя

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

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

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

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

Смешанное возбуждение

Двигатель со смешанным возбуждением

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

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

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

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

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

Немного об универсальности

На фото — электродвигатель постоянного тока универсальный коллекторный

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

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

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

Принцип Действия Двигателя Постоянного Тока: Что Нужно Знать

Мощный двигатель постоянного тока

Тема нашей сегодняшней статьи — принцип действия электродвигателя постоянного тока. Если вы бываете на нашем сайте, то наверняка уже знаете, что эту тему мы решили раскрыть более полно и понемногу разбираем все разновидности электромотором и электрогенераторов.

Постоянный ток известен человечеству вот уже где-то 200 лет, эффективно применять его научились немного позже, а вот сегодня трудно себе представить деятельность человека, где бы энергия не применялась. Приблизительно таким же образом происходила и эволюция электрических двигателей.

Немного истории и теории

Первые электрические двигатели

Бурное развитие электротехники не прекращается с момента зарождения этого направления в физике. Первыми разработками, связанными с электрическими моторами, были работы многих ученых в 20-х годах 19-го столетия. Изобретали всяких мастей пытались соорудить механические машины, способные превращать электрическую энергию в кинетическую.

• Особую значимость имеют исследования М. Фарадея, который в 1821 году, проводя эксперименты по взаимодействию тока и разных проводников, выяснил, что проводник может вращаться внутри магнитного поля, ровно как вокруг проводника может вращаться и магнит.
• Второй этап развития занял более значительный отрезок времени от 1830-х до 1860-х годов. Теперь, кода основные принципы преобразования энергии человеку были известны, он пытался создать наиболее эффективную конструкцию двигателя с вращающимся якорем.
• В 1833 году американский изобретатель и по совместительству кузнец Томас Девенпорт смог построить первый роторный двигатель, работающий на постоянном токе, и сконструировать модель поезда, приводимую им в движение. На свою электрическую машину он получил патент спустя 4 года.

Б.С. Якоби

• В 1834 году Борис Семенович Якоби, русско-немецкий физик и изобретатель, создает первый в мире электродвигатель постоянного тока, в котором смог таки реализовать основной принцип работы таких машин, применяемый и сегодня – с постоянно вращающейся частью.
• В 1838 году, 13 сентября был произведен пуск настоящей лодки по Неве с 12-ю пассажирами на борту – так происходили полевые испытания двигателя Якоби. Лодка двигалась со скоростью 3 км\ч против течения. Привод двигателя был соединен с лопастными колесами по бокам, как на пароходах того времени. Электрический ток подавался к агрегату от батареи содержащей 320 гальванических элементов.

Лодка с лопастными колесами

Результатом проведенных испытаний стала возможность формирования основных принципов дальнейшего развития электромоторов:

• Во-первых, стало ясно, что расширение сферы их применения напрямую зависит от удешевления способов получения электрической энергии – требовался надежный и недорогой генератор, а не дорогостоящие на тот момент гальванические батареи.
• Во-вторых, требовалось создать достаточно компактные двигатели, которые бы, однако, обладали большим коэффициентом полезного действия.
• И в третьих – были очевидны преимущества двигателей с вращающимися неоднополюсными якорями, с постоянным вращающимся моментом.

Работа шунтового генератора

Затем наступает третий этап развития электромоторов, который ознаменован открытием явления самовозбуждения двигателя электрического тока, после чего был сформирован принцип обратимости таких машин, то есть двигатель может быть генератором, и наоборот. Теперь для того чтобы запитать двигатель начали применять недорогие генераторы тока, что в принципе делается и сегодня.

Интересно знать! Любая электрическая сеть подключена к электростанции, вырабатывающей ток. Сама станция, по сути, и есть набор мощнейших генераторов, приводимых в движение разными способами: течение реки, энергия ветра, ядерные реакции и прочее. Исключение составляют, разве что, фотоэлементы в солнечных батареях, но это уже другая, дорогая, пока не нашедшая достаточного распространения история.

Вид современной конструкции электродвигатель приобрел в далеком 1886 году, после чего в него вносились только доработки и усовершенствования.

Основные принципы функционирования

Двигатели постоянного тока и принцип действия: вспоминаем школьные уроки физики

В основу любого электрического двигателя положен принцип магнитного притягивания и отталкивания. В качестве эксперимента можете провести такой простейший опыт.

• Внутрь магнитного поля нужно поместить проводник, по которому нужно пропустить электрический ток.
• Для этого удобнее всего пользоваться магнитом в форме подковы, а в качестве проводника подойдет медная проволока подключенная концами к батарейке.
• В результате опыта вы увидите, что проволоку вытолкнет из области действия постоянного магнита. Почему это происходит?
• Дело в том, что при прохождении тока через проводник, вокруг последнего создается электромагнитное поле, которое вступает во взаимодействие с уже имеющимся, от постоянного магнита. Как результат этого взаимодействия, мы видим механическое движение проводника.
• Если говорить более подробно, то выглядит это так. Когда круговое поле проводника вступает во взаимодействие с постоянным от магнита, то сила магнитного поля с одной стороны возрастает, а с другой уменьшается, из-за чего провод выталкивает из области действия магнита под углом 90 градусов.

Занимательная физика

• Направление, в котором вытолкнет проводник можно установить по правилу левой руки, которое применимо только к электродвигателям. Правило гласит следующее – левую руку нужно поместить в магнитное поле так, чтобы его силовые линии входили в нее с ладони, а 4 пальца были направлены по ходу движения положительных зарядов, тогда отведенный в сторону большой палец покажет направление воздействующей на проводник движущей силы.

Эти простые принципы двигателя постоянного тока применяется и поныне. Однако в современных агрегатах вместо постоянных магнитов применяют электрические, а рамки заменяют сложные системы обмоток.

Строение двигателя

Двигатель постоянного тока и устройство

Давайте теперь более подробно разберем, как устроен двигатель постоянного тока, какие в нем имеются детали и как они взаимодействуют друг с другом.

Продолжение теории

Принцип и устройство двигателя постоянного тока

Сконструировать простейший двигатель постоянного тока вы легко сможете своими руками. Инструкция такова, что достаточно соорудить прямоугольную рамку из проводника, способную вращаться вокруг центральной оси.

• Рамка помещается в магнитное поле, после чего на ее концы подается постоянное напряжение, от той же батарейки.
• Так только по рамке начинает течь ток, она приходит в движение, пока не займет горизонтальное положение, называемое нейтральным или «мертвым», когда воздействие поля на проводник равно нулю.
• По идее, рамка должна остановиться, но этого не произойдет, так как она пройдет «мертвую» точку по инерции, а значит, электродвижущие силы снова начнут возрастать. Но из-за того, что ток теперь течет в обратном направлении относительно магнитного поля, будет наблюдать сильный эффект торможения, что несопоставимо с нормальной работой двигателя.
• Чтобы процесс протекал нормально нужно предусмотреть такую конструкцию подключения рамки к питанию, при которой в момент прохождения тока через нулевую точку будет происходить переключение полюсов, а значит, относительно магнитного поля ток потечет в прежнем направлении.

В качестве такого устройства применяется коллектор, состоящий их изолированных пластин, но давайте поговорим о нем чуть позже.

В виде альтернативы можно изготовить такую рамку, что показана на фото выше. Ее отличие в том, что по двум контурам рамки ток протекает в одном направлении, что позволяет избавиться от коллектора, однако такой электромотор крайне неэффективен, из-за постоянно воздействующих тормозящих сил.

Получив вращение ротора, к нему можно приладить привод и дать сопоставимую мощности двигателя нагрузку, получая тем самым работающую модель.

Строение электромотора постоянного тока

Каково устройство электродвигателя постоянного тока

Итак, переходим к строению двигателей:

• Статор или индуктор – неподвижная часть двигателя, представляющая собой деталь, создающую постоянное электромагнитное поле. Состоит статор из сердечника, выполненного из тонколистовой стали (из пластин определенного профиля набирается деталь нужного размера) и обмотки.

Принцип действия и устройство двигателя постоянного тока: статор

• Обмотка укладывается в пазы сердечника определенным образом, формируя основные и добавочные магнитные полюса, естественно, при включении в сеть.
• Обмотка возбуждения находится на главных полюсах, тогда как на добавочных она служит для улучшения коммутации – увеличивает эффективность мотора, его КПД.

Якорь двигателя постоянного тока

• Ротор двигателя, являющийся тут якорем, тоже имеет похожее строение, но отличает его, прежде всего то, то данный узел двигателя является подвижным. Именно он заменяет вращающуюся рамку из примеров, рассмотренных выше.
• Витки обмотки якоря изолированы друг от друга и соединяются с контактными пластинами коллектора, через которые и подается питание.
• Все части ротора закреплены на металлическом валу, который является центральной осью вращения двигателя. К нему же и подключается привод, передающий крутящий момент на внешние механизмы.

Вид коллектора

• Коллектор (полосатый цилиндр, насаженный на вал) соединен с питающей сетью через щетки, которые выполняются чаще всего из графита. Вообще строение коллектора таково, что контактные пластины также изолированы, что позволяет эффективно менять направление тока в цепи, чтобы избегать торможения двигателя.
• Сами щетки имеют скользящий контакт с пластинами коллектора, и удерживаются в одном положении при помощи щеткодержателей. Поддерживать постоянное напряжение контакта (а ведь мы знаем, что щетки истираются и истончаются) помогают пружины.

Графитовые щетки

• Щетки соединены медными проводами с питающей сетью. Дальше начинается внешняя схема электропитания и управления, о которой мы поговорим немного позже.

Валовый подшипник качения

• Следом за коллектором на валу располагается подшипник качения, обеспечивающий плавное вращение. Сверху он защищен специальным полимерным кольцом, защищающим его от пыли.

Совет! Одной из частых поломок электрических двигателей, является выход из строя подшипника. Если вовремя не заменить этот небольшой элемент конструкции, то запросто можно спалить весь двигатель.

• С обратной стороны обмотки, на том же валу, располагается крыльчатка, поток воздуха от которой эффективно охлаждает двигатель.
• Следом за крыльчаткой обычно крепится привод, отличающийся параметрами, в зависимости от назначения агрегата, в котором двигатель постоянного тока установлен.

В принципе, на этом все. Как видите, конструкция достаточно проста, и что немаловажно, очень эффективна.

Особенности коллекторных двигателей

Перфоратор в разрезе: такие двигатели универсальны и могут работать как от постоянного, так и от переменного тока, но только при соответствующем подключении

Вообще коллекторный двигатель – это действительно хорошее устройство. Такие агрегаты легчайшим образом поддаются регулировке. Повысить, опустить обороты – не проблема.  Дать четкий крутящий момент или жесткую механическую характеристику – запросто.

Однако, несмотря на ряд неоспоримых преимуществ, двигатель имеет повышенную сложность сборки, относительно двигателей переменного тока с самовозбуждающимся ротором или других бесколлекторных агрегатов, а также меньшую надежность. И вся загвоздка состоит в этом самом коллекторе.

• Этот узел достаточно дорог, а цена его ремонта иной раз сопоставима с новой деталью, если вообще возможность восстановления имеется.
• Он забивается при работе токопроводящей пылью, что со временем может стать причиной выхода из строя всего двигателя.
• Коллектор искрит, создавая при этом помехи, а при высокой нагрузке так и вовсе может полыхнуть, создавая круговой огонь. В таком случае его закоротит дугой, что несовместимо с жизнью двигателя.

Выше мы уже сказали, что его задача менять направление тока в витках обмотки, а теперь хотим разобрать вопрос подробнее.

Все гениальное просто

• Итак, по сути, данная часть ротора служит выпрямителем тока, то есть переменный ток становится, проходя через него, постоянным, что справедливо для генераторов, или меняет направление тока, если речь идет о двигателях.
• В случае рассмотренного выше примера с вращающейся в магнитном поле рамкой, требовался коллектор, состоящий из двух изолированных полуколец.
• Концы рамки подключаются к разным полукольцам, что не позволяет цепи накоротко замкнуться.
• Как мы помним, коллектор контактирует с щетками, которые установлены таким образом, чтобы они одновременно не контактировали друг с другом и меняли полукольца при прохождении рамкой нулевой точки.

Работа коллектора

Все предельно просто, однако такие двигатели и генераторы не могут быть нормальной мощности в силу конструктива. В результате якорь стали делать с множеством витков, чтобы активные проводники всегда находились максимально близко к полюсам магнита, ведь, вспоминая закон электромагнитной индукции, становится ясно, что именно это положение самое эффективное.

Раз увеличивается количество витков, значит, требуется разбить коллектор на большее число частей, что собственно и является причиной сложности изготовления и дороговизны этого элемента.

Альтернатива коллекторному двигателю

Бесщеточный двигатель постоянного тока

В электронике уже давно царит век полупроводников, что позволяет изготавливать надежные и компактные микросхемы. Так зачем же мы до сих пор пользуемся коллекторными двигателями? А действительно?

• Инженеры тоже не оставили вопрос незамеченным. В результате коллектор сменили силовые ключи, дополнительно в конструкции появились датчики, регистрирующие текущее положение ротора, чтобы система автоматически определяла момент переключения обмотки.
• Как мы помним, нет никакой разницы, двигается ли магнит относительно проводника, либо же это происходит наоборот. Поэтому якорем становится статор, а на роторе располагается постоянный магнит или простейшая обмотка, соединенная с питанием через контактные кольца, который вращать внутри конструкции намного проще.

Контактные кольца в простейшем генераторе переменного тока

• Строение контактных колец чем-то напоминает коллектор, однако они намного надежнее и изготавливать их в условиях производства проще.

В итоге получился новый тип двигателя, а именно бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Устройству доступны те же преимущества, что и коллекторному двигателю, но от надоедливого коллектора мы избавляется.

Однако такие двигатели применяются только в дорогих аппаратах, тогда как простая техника, например соковыжималка или тот же перфоратор будут рентабельнее в производстве, если ставить на них уже классические коллекторные модели двигателей.

Управление двигателем постоянного тока

Принципиальная электрическая схема управления электродвигателями постоянного тока с реверсом

Итак, как вы уже поняли, основной принцип работы двигателя постоянного тока заключается в инвертировании направления тока в якорной цепи, иначе бы возникало торможение, приводящее к стопорению мотора. Таким образом, реализуется вращение мотора в одну сторону, но такой режим не единственный, и двигатель можно заставить вращаться в обратном направлении.

Для этого достаточно поменять направление тока в возбуждающей обмотке, или сменить местами щетки, через которые подается питание на обмотку ротора.

Совет! Если сделать одновременно обе эти манипуляции, то с двигателем ничего не произойдет, и он продолжит вращаться в том же направлении, что и ранее.

Однако это не все моменты, которые требуется регулировать в таком двигателе. Когда вам требуется четко управлять оборотами такого агрегата, или организовать специальный режим управления оборотами, помимо тумблеров и переключателей в схему управления включаются более сложные элементы.

Система управления может быть по-настоящему сложной

• При этом следует учитывать следующие недостатки коллекторных двигателей: низкий момент на малых оборотах вращения двигателя, из-за чего приборам требуется редуктор, что удорожает и усложняет конструкцию; генерация сильных помех; ну и низкая надежность коллектора, про что мы писали выше.
• Также в расчет берется то, что потребление тока и скорость вращения вала зависят и от механической нагрузки на валу.
• Итак, основной параметр, определяющий скорость вращения вала – это подаваемое напряжение на обмотку, поэтому, следуя логике, для управления этим параметром применяются устройства, регулирующие выходное напряжение.

Схемы управления двигателем на базе интегральной микросхемы LM317

• Такими устройствами являются регулируемые стабилизаторы напряжения. На сегодняшний день целесообразнее использовать дешевые компенсационные интегральные стабилизаторы, типа LM Схема управления с таким устройством показана на схеме выше.

Компактный стабилизатор

• Схема довольно примитивная, но, кажется, достаточно простой, а главное эффективной и недорогой. Мы видим, что ограничение выходного напряжения регулируется дополнительным резистором, обозначенным как Rlim, расчет сопротивления которого имеется в спецификации. При этом стоит понимать, что он ухудшает характеристику всей схемы, как стабилизатора.
• Мы видим, что представлено два варианты схемы, какая из них будет показывать себя лучше? Вариант «а» выдает линейную характеристику удобного регулирования, благодаря чему очень популярен.
• Вариант «б», наоборот», характеристику имеет нелинейную. Фактическая разница будет заметна при выходе из строя переменного резистора: в первом случае мы получим максимальную скорость вращения, а во втором – наоборот, минимальную.

Не будем больше углубляться в дебри, так как статья у нас по большей части ознакомительная. Мы разобрали принципы действия двигателей постоянного тока, а это уже что-то. Если вопрос вас заинтересовал, то обязательно просмотрите следующее видео. А на этом мы прощаемся с вами! Всего хорошего!

Устройство коллекторной машины постоянного тока — Студопедия

Конструкция электрической машины постоянного тока включает (рис. 4.2): подшипниковые щиты 1, подшипники 2, вентилятор 3, якорь 4, коллектор 5, главный 6 и дополнительный 7 полюсы и щеткодержатель с траверсой 8. Условное обозначение такой машины приведено на том же рисунке.

Рис. 4.2. Устройство машины постоянного тока

Статор. Состоит из станины и главных полюсов. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника и полюсной катушки. Со стороны, обращенной к якорю сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1-2 мм или изтонкоколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например, марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницаемость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рис. 4.3, а). В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас(обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса (рис. 4.3, б). В некоторых конструкциях машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Рис. 4.3. Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (б) полюсными катушками

Якорь. Якорь машины постоянного тока состоит извала, сердечника с обмоткой и коллектора. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечникаякоря имеются продольные пазы; в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Коллектор является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе. На рис. 4.4, а показано устройство коллектора со стальными конусными шайбами.

а) б)

Рис. 4.4. Устройство коллектора с конусными шайбами

Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3, изолированными от медных пластин миканитовыми манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щетками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью коллектора, что вызвало бы вибрацию щеток и нарушение работы машины, между коллекторными пластинами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 4.4, б). Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рис. 4.4, а), называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.

В машинах постоянного тока малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространство между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллектора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3 (рис. 4.5). В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1, что исключит замыкание пластин стальными (армирующими) кольцами 3.

Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях.

Рис. 4.5. Устройство коллектора Рис. 4.6. Щеткодержатель

на пластмассе. (сдвоенный) машины

постоянного тока.

Щеткодержатель (рис. 4.6) состоит из обоймы 4, в которую помещают щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины. Одно из основных условий бесперебойной работы машины — плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим — искрение на коллекторе.

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний (см. рис. 4.2). В центральной части щита имеется расточка под подшипник. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки, не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллекторной машины постоянного тока следует, что непременным элементом этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный узел — механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асинхронной машине) в надежности и имеют более высокую стоимость

Коллекторный двигатель постоянного тока: конструкция и принцип действия

Коллекторные электродвигатели довольно распространены в быту и на производстве. Они используются для привода различных механизмов, электроинструмента, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена простой регулировкой оборотов ротора, но есть и некоторые ограничения их применения и конечно же недостатки. Давайте разберемся что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ), какие бывают разновидности данного вида электродвигателей и где они используются.

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

«Коллекторным называется электродвигатель, у которого датчиком положения вала и переключателем обмоток является одно и то же устройство – коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном.»

Коллекторный электродвигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор – является якорем. Напомним, что якорем называется та часть электрической машины, которая потребляет основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе), и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. К ламелям подключаются отводы секций обмоток якоря (устройство якорной обмотки КДПТ вы видите на группе рисунков ниже), а точнее к каждой из них подключен конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток к обмоткам подаётся через щетки. Щётки образуют скользящий контакт и во время вращения вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким образом происходит переключение обмоток якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна с щеткодержателями, непосредственно в них и устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижимаются к коллектору пружинами.

На статоре устанавливаются постоянные магниты или электромагниты (обмотка возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще используют термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже изображена конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь же давайте разберемся как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем. Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни Ватт).
2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъёмных механизмах и станках).

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

• Последовательного возбуждения (в старой отечественной литературе и от старых электриков можно услышать название «Сериесные», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Высокий пусковой момент – преимущество такой схемы, а её недостаток – падение частоты вращения с увеличением нагрузки на валу (мягкая механическая характеристика), и то что двигатель идёт вразнос (неконтролируемый рост оборотов с последующим повреждением опорных подшипников и якоря) если работают на холостом ходу или с нагрузкой на валу в меньше 20-30% от номинальной.
• Параллельного (также называют «шунтовые»). Соответственно обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. На низких оборотах на валу высокий момент и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а с увеличением оборотов он уменьшается. Преимущество — стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на валу (ограничивается его мощностью), а недостаток – при обрыве в цепи возбуждения может пойти вразнос.
• Назависимого. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет точнее регулировать обороты вала. Особенности работы похожи на ДПТ с параллельным возбуждением.
• Смешанного. Часть обмотки возбуждения подключена параллельно, а часть последовательно с якорем. Совмещают достоинства последовательного и параллельного типов.

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

В иностранной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДПТ, как было приведено на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь, а два квадрата – щетки.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

• В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
• В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
• В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
• В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Отметим, что в современный дорогой электроинструмент устанавливают не коллекторные, а бесколлекторные электродвигатели.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, виды

Главная проблема коллекторных двигателей – это как раз-таки наличие коллекторного узла. Щётки стираются, а ламели изнашиваются, от слоя графитовой пыли между ними происходят замыкания, возникает искрение. Этих проблем нет в асинхронных машинах, но работать от постоянного тока они не могут. Бесколлекторный двигатель постоянного тока лишен обозначенных выше недостатков. О том, что это такое, как работает и где используются двигатели БДПТ мы и поговорим в этой статье.

Определение

Бесколлекторным называют электродвигатель постоянного тока, ток в обмотках которого переключает специальное устройство-коммутатор — он носит название «драйвер» или «инвертор» и эти обмотки всегда расположены на статоре. Коммутатор состоит из 6 транзисторов, они и подают ток в ту или иную обмотку, в зависимости от положения ротора.

В отечественной литературе такие двигатели называют «вентильными» (потому что полупроводниковые ключи называют «вентилями»), и есть разделение таких электромашин на два вида по форме противо—ЭДС. В зарубежной литературе такое различие сохраняется, один из них называют аналогично русскому «BLDC» (brushless direct current drive или motor), что в дословном переводе звучит как «бесщёточный двигатель постоянного тока» в их обмотках возникает трапецеидальная ЭДС. Вентильные же электродвигатели с синусоидальной ЭДС называют PMSM (Permanent magnet synchronous machine), что переводится как «синхронный электродвигатель с возбуждением постоянными магнитами».

Устройство и принцип действия

Коллектор в КДПТ служит узлом переключения тока в обмотках якоря. В бесколлекторном электродвигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль выполняют не щетки с ламелями, а коммутатор она полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А при протекании тока через проводник, который находится в магнитном поле, на него действует сила Ампера, за счет действия этой силы и образуется крутящий момент на валу электрических машин. На этом и основан принцип работы любого электродвигателя.

Теперь же разберемся в том, как устроен бесколлекторный двигатель. На статоре БДПТ обычно расположены 3 обмотки, по аналогии с электродвигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это верно: бесколлекторные двигатели работают от источника постоянного тока (чаще от аккумуляторов), но контроллер включает ток обмотках поочерёдно. Однако при этом не совсем верно говорить, что по обмоткам протекает переменный ток. Конечная форма питающего обмотки напряжения формируется прямоугольными импульсами управления транзисторами.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель может быть трёхпроводными или четырёхпроводным, где четвертый провод — отвод от средней точки (если обмотки соединены по схеме звезды).

Обмотки или, говоря простым словами, катушки медного провода укладываются в зубы сердечника статора. В зависимости от конструкции и назначения привода на статоре может быть разное количество зубцов. Встречаются разные варианты распределения обмоток фаз по зубцам ротора, что иллюстрирует следующий рисунок.

Обмотки каждого из зубов в пределах одной фазы могут соединяться последовательно или параллельно, в зависимости от поставленных конструктору задач по мощности и моменту проектируемого привода, а сами же обмотки фаз соединяются между собой по схеме звезды или треугольника, подобно асинхронным или синхронным трёхфазными электродвигателям переменного тока.

В статоре могут устанавливаться датчики положения ротора. Часто используются датчики холла, они дают сигнал контроллеру, когда на них воздействует магнитное поле магнитов ротора. Это нужно для того чтобы контроллер «знал», в каком положении находится ротор и подавал питание на соответствующие обмотки. Это нужно для повышения эффективности и стабильности работы, а если кратко, — чтобы выжать из двигателя всю возможную мощность. Датчиков обычно устанавливается 3 штуки. Но наличие датчиков усложняет устройство бесколлекторного электродвигателя, к ним нужно проводить дополнительные провода для питания и линии данных.

В БДПТ для возбуждения используются постоянные магниты, установленные на роторе, а статор — это якорь. Напомним, что в коллекторных машинах наоборот (ротор — это якорь), а для возбуждения в КД используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты устанавливаются с чередованием полюсов, и соответственно их количество определяет количество пар полюсов. Но это не значит, что сколько магнитов, то столько же и пар полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. От числа полюсов, как в случае и с асинхронным двигателем (и другими) зависит число оборотов в минуту. То есть от одного контроллера на одинаковых настройках бесколлекторные двигатели с разным числом пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Виды БДПТ

Теперь давайте разберемся, какими бывают бесколлекторные двигатели на постоянных магнитах. Их классифицируют по форме противо-ЭДС, конструкции, а также по наличию датчиков положения ротора. Итак, два основных типа отличающихся формой противо-ЭДС, которая наводится в обмотках при вращении ротора:

• BLDC — в них трапецеидальная противо-ЭДС;
• PMSM — противо-ЭДС синусоидальная.

В идеальном случае для них нужны разные источники питания (контроллеры), но на практике они взаимозаменяемы. Но если использовать контроллер с прямоугольными или трапецеидальным выходным напряжением с PMSM-двигателем, то будут слышны характерные звуки, похожие на стук во время вращения.

А по конструкции бесколлекторные двигатели постоянного тока бывают:

• С внутренним ротором. Это более привычное представление электродвигателя, когда статор — это корпус, а вращается вал, расположенный в нём. Часто их называют английским словом «Inrunner». Такой вариант обычно применяют для высокооборотистых электродвигателей
• С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть двигателя с закреплённым на ней валом, в англоязычных источниках его называют «outrunner». Эту схему устройства используют, когда нужен высокий момент.

Выбирают конструкцию в зависимости от того для чего нужен бесколлекторный двигатель в конкретном применении.

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели как с датчиками положения ротора, так и без них. Дело в том, что существует множество способов управления БДПТ, для некоторых из них нужны датчики положения, другие определяют положения по ЭДС в обмотках, третьи и вовсе просто подают питание на нужные фазы и электродвигатель самостоятельно синхронизируется с таким питанием и входит в рабочий режим.

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

1. Режим работы — длительный или кратковременный.
2. Максимальное рабочее напряжение.
3. Максимальный рабочий ток.
4. Максимальная мощность.
5. Максимальные обороты, часто указывают не обороты, а KV — об/в, то есть количество оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальные обороты — умножьте это число на максимальное напряжение.
6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД), обычно составляет сотые и тысячные доли Ома.
7. Угол опережения фазы (timing) — время, через которое ток в обмотке достигнет своего максимума, это связано с её индуктивностью и законами коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы бесколлекторного двигателя нужен специальный контроллер. На алиэкспресс можно найти как комплекты из двигателя и контроллера, так и по отдельности. Контроллер также называют ESC Motor или Electric Speed Controller. Выбирают их по силе тока, отдаваемого в нагрузку.

Обычно подключение электродвигателя к контроллеру не вызывает затруднений и понятно даже для чайников. Главное, что нужно знать — для смены направления вращения нужно изменить подключение любых двух фаз, собственно также, как и в трёхфазных асинхронных или синхронных электродвигателях.

В сети есть и ряд технических решений и схем как сложных, так и для чайников, которые вы можете увидеть ниже.

В этом видеоролике автор рассказывает, как подружить БК моторчик с «ардуиной».

А в этом ролике вы узнаете о различных способах подключения к разным регуляторам и как его можно сделать своими руками. Автор демонстрирует это на примере моторчика от HDD, и пары мощных экземпляров — inrunner и outrunner.

Кстати схему из видео для повторения также прикладываем:

Где применяются бесколлекторные двигатели

Сфера применения таких электродвигателей досрочно широка. Они используются как для привода мелких механизмов: в дисководах CD, DVD-приводах, жёстких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторе и сетевом электроинструменте (с питанием порядка 12В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках ЧПУ для привода рабочего органа (обычно моторчики с номинальным напряжением 24В или 48В).

Широкое применение БДПТ нашли в электротранспорте, почти все современные мотор-колеса электросамокатов, велосипедов, мотоциклов и автомобилей — это бесколлекторные двигатели. К слову, номинальное напряжение электродвигателей для транспорта лежит в широком пределе, например, мотор-колесо для велосипеда зачастую работает от 36В или от 48В, за редким исключением и больше, а в автомобилях, например, на Toyota Prius порядка 120В, а на Nissan Leaf – доходит до 400, при том что заряжается от сети 220В (это реализуется с помощью встроенного преобразователя).

На самом деле область применения бесколлекторных электродвигателей очень обширна, отсутствие коллекторного узла позволяет его применять опасных местах, а также в местах с повышенной влажностью, без опасений замыканий, искрения или возгорания из-за дефектов в щеточном узле. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным показателям они нашли применение и в космической промышленности.

Преимущества и недостатки

Бесколлекторным двигателям постоянного тока, как и другим видам электромашин, присущи определенные достоинства и недостатки.

Преимущества у БДПТ заключаются в следующем:

• Благодаря возбуждению мощными постоянными магнитами (неодимовыми, например) превосходят по моменту и мощности и имеют меньшие габариты, чем асинхронные двигатели. Чем пользуется большинство производителей электротранспорта — от самокатов до автомобилей.
• Нет искрящего щеточно-коллекторного узла, который требует регулярного обслуживания.
• При использовании качественного контроллера в отличие от того же КД не выдают помехи в питающую сеть, что особенно важно в радиоуправляемых устройствах и транспорте с развитым электронным оборудованием в бортовой сети.
• КПД более 80, чаще и 90%.
• Высокая скорость вращения, в отдельных случаях до 100000 об/мин.

Но есть и существенный минус: бесколлекторный двигатель без контроллера — просто кусок железа с медной обмоткой. Он никак не сможет работать. Контроллеры стоят недешево и чаще всего их приходится заказывать в интернет-магазинах или с алиэкспресс. Из-за этого использовать БК-моторы в моделях и устройствах домашнего производства не всегда возможно.

Теперь вы знаете, что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он работает и где применяется. Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во всех вопросах!

Материалы по теме:

Устройство коллекторных машин постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии. 

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока ДПТ и генератор постоянного тока ГПТ которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга то есть ДПТ может работать как ГПТ и наоборот. Разберем устройство коллекторных машин на примере двигателя постоянного тока.

  Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

1. Якоря (подвижная часть) который состоит из вала,обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрытых электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения вихревых токов. В сердечнике есть пазы в которые вложены пазовые стороны обмотки якоря.
2. Статора (4) (неподвижной части) — станина, главные полюса с полюсными катушками(2,3).

Статор конструктивно может быть выполнен двух видов:

• сборный — состоит из цельной тянутой трубы и прикреплённым к ней внутри полюсов. Сердечник полюса выполнен в виде стального бруска либо из шихтованных пластин 0,5 — 1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя.
• цельный шихтованный — применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.

Устройство щеточно коллекторного перехода.

Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4. Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4).

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

Электродвигатель

— принцип работы, схема

Последнее обновление: 30 апреля 2020 г., Teachoo

Это вращающееся устройство (устройство, которое вращается или перемещается по кругу).

Преобразует электрическую энергию в механическую.

Они используются в электрических вентиляторах, холодильниках, стиральных машинах, миксерах и т. Д.

вот как это выглядит

Принцип электродвигателя

Электродвигатель работает по принципу

когда прямоугольная катушка помещена в магнитное поле и через нее проходит ток,

сила действует на катушку, которая вращает ее непрерывно

Строительство электродвигателя

Электродвигатель состоит из

• Прямоугольная катушка провода ABCD
• А сильный подковообразный магнит (или 2 разных магнита) — Если взять 2 магнита, северный полюс первого магнита обращен к южному полюсу другого магнита, как показано на рисунке…
• В катушка размещена перпендикулярно магниту как показано на рисунке
• Концы катушки подключены к разрезные кольца — P&Q
  Разрезные кольца действуют как коммутатор — который меняет направление тока в цепи
• Внутренняя сторона разрезных колец изолирован и прикреплен к оси (который можно свободно вращать)
• Наружные токопроводящие кромки разъемных колец жесткие два стационарные щетки — X и Y
• Эти кисти прикреплены к аккумулятор завершить цепь

Работа электродвигателя

Давайте посмотрим на работу электродвигателя.

• Когда батарея включена, ток течет через катушку AB от A к B,
  и магнитное поле с севера на юг…
  Итак, по правилу левой руки Флеминга к AB приложена направленная вниз сила.

  Точно так же к CD прилагается направленная вверх сила.
  Таким образом, катушка вращается, при этом AB движется вниз, а CD движется вверх.

• Теперь катушки AB и CD меняются местами,
  Так как ток течет от C к D, а магнитное поле с севера на юг
  CD получит силу вверх и двинется вверх

  Аналогично AB будет двигаться вниз
  Итак, наша катушка будет делать половину оборота.

• Но мы не хотим полуворотов,
  Нам нужно полное вращение катушки.
• Итак, для этого … мы меняем направление тока в катушке, когда она совершила половину оборота.
• Чтобы изменить направление тока, мы используем коммутатор.
  Коммутатор состоит из разрезных колец (два кольца с некоторым промежутком между ними) и щеток, прикрепленных к цепи.
• Теперь, когда катушка вращается, кольца вращаются вместе с ней.
  Когда катушка становится параллельной магнитному полю,
  щетки X и Y касаются зазора между кольцами
  и разрыв цепи
• Теперь по инерции кольцо продолжает двигаться… так что противоположный конец кольца теперь подключен к положительному концу провода
  Разъемное кольцо P подключено к катушке CD, а разрезное кольцо Q подключено к катушке AB.
  который меняет направление тока в цепи.
• Теперь, когда CD находится слева, а AB — справа ..
  Ток в CD становится обратным, т. Е. С D на C.
  Итак, сила на CD направлена ​​вниз, а сила на AB — вверх
  Таким образом, катушка продолжает вращаться
• Это изменение направления электрического тока происходит каждые пол-оборота.
  и катушка продолжает вращаться, пока не отключится аккумулятор

Запись — Если бы разрезное кольцо не использовалось, катушка повернулась бы наполовину по часовой стрелке и наполовину против часовой стрелки.
Следовательно, разрезное кольцо предназначено для обратного потока тока и вращения катушки в одном направлении.

Чтобы написать «Работа электродвигателя» в экзаменационной работе, отметьте — NCERT Вопрос 11

Каким образом коммерческие электрические двигатели увеличивают создаваемую силу и мощность двигателей?

Они увеличивают создаваемую силу и мощность двигателей на

• Использование электромагнита вместо постоянного магнита
• Большое количество витков проводящего провода (чем больше витков провода, тем больше магнитное поле)
• Мягкое железо Сердечник, на который намотана катушка

Заметка : Сердечник из мягкого железа, на который намотана катушка вместе с катушками, называется сердечником. арматура .
Это увеличивает мощность двигателя.

Запись : Для тебя Экзамены,
напишите, пожалуйста, принцип работы, устройство электродвигателя.
И не забудьте сделать первую цифру (указанную в NCERT)

Вопросов

NCERT Вопрос 3 — Устройство, используемое для производства электрического тока, называется

1. генератор.
2. гальванометр.
3. амперметр.
4. мотор.

Посмотреть ответ

Вопрос 6 (а) NCERT — Укажите, верны ли следующие утверждения.

(а) Электродвигатель преобразует механическую энергию в электрическую.

Посмотреть ответ

Вопрос 11 NCERT — Нарисуйте маркированную схему электродвигателя. Объясните его принцип и работу.Какова функция разрезного кольца в электродвигателе?

Посмотреть ответ

NCERT Вопрос 12 — Назовите некоторые устройства, в которых используются электродвигатели.

Посмотреть ответ

Вопросы 2 Страница 233 — Каков принцип работы электродвигателя?

Посмотреть ответ

Вопросы 3, страница 233 — Какова роль разрезного кольца в электродвигателе?

Посмотреть ответ

Подпишитесь на наш канал Youtube — https: // you.трубка / teachoo

HSC Physics — Motors and Generators notes — краткое содержание курса

HSC Physics — Motors and Generators Примечания

Это набор точечных сводных заметок HSC Physics для двигателей и генераторов. Репетиторство по физике HSC в Dux College предоставляет студентам необходимую поддержку для достижения результата 6 баллов по HSC Physics.

Мотор

Проводники и магнитные поля

Магнитное поле вокруг проводника

Круговое магнитное поле создается вокруг проводника с током.Чтобы определить направление этой круговой силы, мы используем правую ручку . Напомним, что точки представляют собой магнитное поле за пределами страницы, а крестики представляют собой магнитное поле на странице.

Сила, действующая на проводник во внешнем магнитном поле

Так как проводник с током генерирует собственное магнитное поле, это магнитное поле может взаимодействовать с внешним магнитным полем, создавая силу на проводнике. Чтобы определить направление действующей силы, мы использовали линейку для правой руки (F на ладони, B на пальцах, I большой палец).Это правило также можно использовать для определения силы, действующей на пучок движущихся зарядов.

Величина силы зависит от нескольких факторов:

Где

• — сила внешнего магнитного поля, в теслах
• — ток в проводнике, в амперах
• — длина проводника в магнитном поле, в метрах
• — угол между силовыми линиями магнитного поля и направлением тока.

Из уравнения видно, что сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна силе внешнего магнитного поля, величине тока и соответствующей длине проводника. Сила не будет существовать на проводнике, если проводник параллелен магнитному полю (т.е.). В противном случае наибольшая сила на проводнике возникает, когда угол между током и магнитным полем составляет 90 °.

Усилие между токоведущими параллельными проводниками

Сила между проводниками существует потому, что магнитное поле из-за тока в каждом проводнике взаимодействует с магнитным полем из-за тока в другом проводнике.Направление силы (притяжения или отталкивания) зависит от относительного направления двух токов. Помните:

Текущее направление	То же	напротив
Усилие	Аттракцион	Отталкивание

Отвечая на эти типы экзаменационных вопросов, не забудьте в поле указать направление силы (притягивающая или отталкивающая).

Количественно сила между двумя проводниками прямо пропорциональна токам в проводниках и общей длине (). Оно обратно пропорционально расстоянию между ними. Константа пропорциональности — это постоянная магнитной силы (обозначенная в стандартной таблице формул HSC как).

Математически мы можем написать:

Момент

Крутящий момент — это крутящий момент силы в точке поворота. Другими словами, это сила в направлении скручивания в точке скручивания.Это произведение тангенциальной составляющей силы () и расстояния, на которое сила приложена от оси вращения.

Моторный эффект

Электрические токи в проводниках создают магнитные поля. Если эти проводники находятся внутри внешнего магнитного поля (например, создаваемого постоянными магнитами), они действительно могут начать двигаться. Это движение вызвано взаимодействием между магнитным полем, индуцированным проводником, и внешним магнитным полем.Именно это движение проводников с током внутри магнитных полей называется моторным эффектом и является принципом электродвигателей, отсюда и название.

Катушка в магнитном поле

Катушка в магнитном поле может вращаться под действием двигателя.

Предположим, для простоты обсуждения, что ось вращения прямоугольной катушки перпендикулярна магнитному полю, и что длинные стороны катушки параллельны оси и равноудалены от нее.

Каждая длинная сторона катушки испытывает силу, величина которой не меняется при вращении катушки, поскольку стороны всегда остаются перпендикулярными полю. Эта сила задается. Можно показать, что сила на каждой длинной стороне всегда в одном и том же направлении на протяжении всего вращения катушки, противоположна направлению силы на другой длинной стороне и всегда перпендикулярна оси.

Сила на каждой длинной стороне создает крутящий момент вокруг оси. Поскольку силы имеют противоположные направления, а их линии действия находятся на противоположных сторонах оси, они создают крутящий момент в том же направлении.Таким образом, их действие — вращать катушку вокруг своей оси. Чистый крутящий момент является максимальным, когда плоскость катушки параллельна полю, поскольку перпендикулярное расстояние, до линии действия является максимальным и уменьшается до нуля, когда плоскость катушки вращается перпендикулярно полю. . Направление крутящего момента изменяется при полном вращении катушки, поэтому катушка не совершит оборот (если нет переключающего устройства, такого как коммутатор с разъемным кольцом).

Для прямоугольной катушки с осью вращения, перпендикулярной внешнему магнитному полю, общий крутящий момент составляет:

Где

Электродвигатель постоянного тока

Электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую потенциальную энергию в кинетическую энергию вращения.Электродвигатели создают вращательное движение, пропуская ток через катушку в магнитном поле. Двигатель постоянного тока — это распространенный тип электродвигателя, который питается от постоянного тока. Это приложение моторного эффекта.

Деталь	Описание	Роль в двигателе
Катушки	В очень простом двигателе может быть только одна или несколько катушек, обычно из нескольких витков изолированного провода, намотанных на якорь.Концы катушек соединены с перемычками на коммутаторе.	Катушки обеспечивают крутящий момент, поскольку ток, проходящий через катушки, взаимодействует с магнитным полем. Поскольку катушки прочно закреплены на роторе, любой крутящий момент, действующий на катушки, передается на ротор, а затем на ось.
Постоянные магниты	Два постоянных магнита на противоположных сторонах двигателя с противоположными полюсами, обращенными друг к другу, поверхности полюсов изогнуты, чтобы соответствовать якорю и обеспечивать радиальное магнитное поле.	Магниты создают магнитное поле , которое взаимодействует с током в якоре, создавая моторный эффект. Вместо постоянных магнитов можно использовать пару электромагнитов.
Коммутатор с разъемным кольцом	Коммутатор представляет собой широкое металлическое кольцо, установленное на оси на одном конце якоря и разрезанное на четное количество отдельных стержней (2 в простом двигателе). Каждая противоположная пара стержней соединена с одним набором катушек.	Коммутатор обеспечивает точки соприкосновения катушек ротора с внешней электрической цепью. Он служит для поворота на направления тока в каждой катушке каждые полоборота двигателя. Это гарантирует, что крутящий момент на каждой катушке всегда будет в одном направлении.
Кисти	Сжатые угольные блоки, подключенные к внешней цепи, установленные на противоположных сторонах коллектора и подпружиненные для плотного контакта со стержнями коллектора.Графит, который используется в щетках, представляет собой форму углерода, которая проводит электричество, а также используется в качестве смазки.	Щетки представляют собой электрические контакты фиксированного положения между внешней цепью и обмотками ротора. Их положение приводит их в контакт с обоими концами каждой катушки одновременно, поскольку каждая катушка расположена под прямым углом к ​​полю, чтобы максимизировать крутящий момент.
Ось	Цилиндрический стержень из закаленной стали, проходящий через центр якоря и коммутатор	Это обеспечивает центр вращения для движущихся частей.Полезная работа может быть снята с мотора через ось.
Якорь	Якорь состоит из цилиндра из многослойного железа, установленного на оси. Часто встречаются продольные бороздки, в которые намотаны катушки.	Якорь несет катушки ротора. Железный сердечник сильно концентрирует внешнее магнитное поле, увеличивая крутящий момент на якоре. Пластины уменьшают вихревые токи, которые в противном случае могут привести к перегреву якоря.
Статор	Статор описывает все, что связано с корпусом. Это часть, в которой находятся все остальные части двигателя, и она не движется. Статор включает в себя магниты, кожух и щетки двигателя постоянного тока.	В статоре находится двигатель постоянного тока, предотвращая попадание пыли или посторонних предметов во вращение двигателя.
Ротор	Ротор описывает все, что связано с осью, которая вращается вместе с ним.Ротор включает в себя основные катушки, коммутатор и якорь двигателя постоянного тока.	Ротор вращается вместе со всем, что с ним связано, производя кинетическую энергию из электрической энергии.

Применение моторного эффекта

Гальванометр

Гальванометр — это прибор, используемый для измерения величины и направления малых токов постоянного тока .

Катушка состоит из множества витков проволоки и соединена последовательно с остальной частью цепи, так что ток в цепи течет через катушку.Когда ток течет, катушка испытывает силу из-за наличия внешнего магнитного поля (моторный эффект).

Игла вращается до тех пор, пока магнитная сила, действующая на катушку, не будет уравновешена уравновешивающей пружиной. Поскольку сила пропорциональна току, протекающему через катушку (), положение иглы является точным показателем того, сколько тока проходит через катушки.

Обратите внимание, что магниты вокруг сердечника изогнуты. Это приводит к радиальному магнитному полю; плоскость катушки всегда будет параллельна магнитному полю, и крутящий момент будет постоянным независимо от того, насколько сильно катушка отклонена .Это также означает, что шкала гальванометра является линейной, а величина отклонения пропорциональна току, протекающему через катушку, что обеспечивает точность измерений.

Громкоговоритель

Громкоговорители — это устройства, преобразующие электрическую энергию в энергию звука. Громкоговоритель состоит из круглого магнита, у которого один полюс находится снаружи, а другой — внутри. Например, на диаграмме ниже показано, что центральный магнит имеет Юг, а боковые магниты — Север.

Катушка с проводом (известная как звуковая катушка) находится в пространстве между полюсами. Звуковая катушка подключена к выходу усилителя. Усилитель вырабатывает ток, который меняет направление с той же частотой, что и звук, который должен воспроизводиться. Ток также изменяется по величине пропорционально амплитуде звука. Звуковая катушка заставлена ​​вибрировать вокруг магнитов моторным эффектом .

Звуковая катушка подключена к бумажному диффузору динамика, который создает звуковые волны в воздухе при его вибрации.Когда величина тока увеличивается, увеличивается и сила, действующая на катушку. Когда сила, действующая на катушку, увеличивается, она перемещается больше, и производимый звук становится громче.

Генерация электрического напряжения

Открытие Майкла Фарадея

В 1831 году Майкл Фарадей обнаружил, что ток может быть наведен внутри проводника , если проводник подвергается действию движущегося магнитного поля. В качестве альтернативы, тот же эффект возникает, когда проводник движется относительно магнитного поля.

В своем первом успешном эксперименте Фарадей намеревался произвести и обнаружить ток в катушке с проволокой по наличию магнитного поля, создаваемого другой катушкой. Бухты разделялись шпагатом. Одна катушка была подключена к гальванометру, а другая — к батарее. Когда цепь батареи была замкнута, Фарадей заметил «внезапный и очень слабый эффект на гальванометр». Фарадей заметил небольшой кратковременный ток, который возник в цепи гальванометра. Подобный эффект был также произведен, когда ток в цепи батареи был остановлен, но кратковременное отклонение стрелки гальванометра было в противоположном направлении.

В следующем эксперименте Фарадей использовал кольцо из мягкого железа. Он намотал первичную катушку с одной стороны и подключил ее к батарее и переключателю. Он намотал вторичную обмотку с другой стороны и подключил ее к гальванометру.

Когда ток был установлен в первичной обмотке, стрелка гальванометра немедленно отреагировала, как заявил Фарадей, «до степени, намного превышающей то, что было описано, когда использовались спирали без железного сердечника, но хотя ток в первичной обмотке был продолжал, эффект не был постоянным ».

Когда ток в первичной катушке был остановлен, стрелка гальванометра двигалась в противоположном направлении. Он пришел к выводу, что при изменении магнитного поля первичной катушки во вторичной катушке индуцировался ток.

Магнитный поток

Магнитный поток — это название магнитного поля, проходящего через данную область. Ему присвоено условное обозначение Ф _B . В единицах СИ Ф _B измеряется в Веберах (Вб).Если конкретная область A перпендикулярна однородному магнитному полю с напряженностью B, то магнитный поток является произведением B и A.

Сила магнитного поля B также известна как плотность магнитного потока. Это количество магнитного потока, проходящего через единицу площади. В единицах СИ величина B измеряется в теслах (Тл) или Веберах на квадратный метр ().

Закон индукции Фарадея

Электромагнитная индукция — это создание ЭДС в проводнике, когда он движется относительно магнитного поля или находится в изменяющемся магнитном поле.Такая ЭДС известна как ЭДС, индуцированная , . В замкнутой проводящей цепи ЭДС вызывает ток, известный как индуцированный ток.

Для прохождения тока через гальванометр в экспериментах Фарадея должна быть ЭДС. Фарадей отметил, что для возникновения ЭДС должно быть изменяющееся магнитное поле. Величина, которая изменялась в каждом случае, представляла собой величину магнитного потока, пронизывающего вторичную катушку, которая подключена к гальванометру. Скорость изменения магнитного потока определяет величину генерируемой ЭДС.Это дает закон индукции Фарадея:

.

Индуцированная ЭДС в цепи равна по величине скорости, с которой магнитный поток через цепь изменяется со временем.

Математически закон Фарадея выражается как:

Если на катушке есть витки проволоки, ЭДС, индуцированная изменением магнитного потока, пронизывающего катушку, будет в разы больше, чем возникающая, если бы в катушке был только один виток проволоки.

Закон Ленца, обратная ЭДС и вихревые токи

Закон Ленца

Индуцированная ЭДС всегда вызывает ток, который создает магнитное поле, которое противодействует первоначальному изменению потока через цепь.

Это следствие принципа сохранения энергии. Знак минус в законе индукции Фарадея помещен там, чтобы напоминать нам о направлении наведенной ЭДС.

Задняя ЭДС

Обратная ЭДС — это электродвижущая сила, противодействующая основному току, протекающему в цепи. Когда катушка двигателя вращается, в катушке индуцируется обратная ЭДС из-за ее движения во внешнем магнитном поле. Электродвигатели используют входное напряжение (первичная ЭДС) для создания тока в катушке, чтобы катушка вращалась во внешнем магнитном поле.

Однако противоположная ЭДС индуцируется в катушке, вращающейся во внешнем магнитном поле. ЭДС возникает из-за того, что величина магнитного потока, пронизывающего катушку, постоянно изменяется по мере ее вращения. ЭДС, индуцированная в катушке двигателя, когда он вращается во внешнем магнитном поле, имеет направление, противоположное входному напряжению или ЭДС питания. Если бы это было не так, ток увеличивался бы, и катушка двигателя двигалась бы все быстрее и быстрее, нарушая закон сохранения энергии.

Индуцированная ЭДС, создаваемая вращением катушки двигателя, известна как обратная ЭДС, потому что она равна в направлении, противоположном току питания. Когда двигатель неподвижен, обратная ЭДС равна 0. По мере раскрутки двигателя обратная ЭДС увеличивается до тех пор, пока она не станет примерно равной входной ЭДС от входного напряжения.

Вихревые токи

Вихревой ток — это круговой ток, индуцируемый в проводнике в изменяющемся магнитном поле.

Наведенные токи возникают в проводах, катушках, железных сердечниках трансформаторов и во всех других проводниках, подверженных изменению магнитных полей.Всего:

• Когда на часть металлического объекта действует магнитное поле и существует относительное движение между магнитным полем и объектом
• Когда проводник движется во внешнем магнитном поле
• Когда металлический объект подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля

Вихревые токи — это применение закона Ленца. Магнитные поля, создаваемые вихревыми токами, противодействуют изменениям магнитного поля, действующему в областях металлических предметов.

Применение электромагнитной индукции

Индукционные варочные панели

Вихревые токи могут вызвать повышение температуры металла. Это происходит из-за столкновений между движущимися носителями заряда и атомами металла, а также из-за прямого возбуждения атомов магнитным полем, меняющим направление с высокой частотой.

В индукционных варочных панелях

используются индукционные катушки, подключенные к источнику переменного тока, которые создают быстро меняющееся магнитное поле.Эти катушки находятся под изолирующей керамической пластиной, на которой стоит металлическая кастрюля или кухонная посуда.

Быстро меняющееся магнитное поле индуцирует сильные вихревые токи в металлической посуде, которые нагревают посуду за счет джоулевого нагрева.

Этот нагрев посуды затем нагревает пищу внутри нее за счет кондуктивных и конвективных токов, более эффективно, чем в обычных электрических или газовых плитах, которые теряют энергию из-за уходящего тепла. Поскольку индукционные варочные панели создают вихревые токи в проводящей посуде, их нельзя использовать для нагрева стекла или других непроводящих веществ.Индукционные варочные панели намного более энергоэффективны и чисты, но могут быть опасны, поскольку любой металлический предмет, удерживаемый рядом с варочной панелью, может быстро нагреться и вызвать ожоги, если кто-то его подержит.

Электромагнитное торможение

Рассмотрим металлический диск, на часть которого действует внешнее магнитное поле. Поскольку диск сделан из металла, движение металла через область магнитного поля вызывает протекание вихревых токов. Вихревые токи внутри магнитного поля будут течь в таком направлении, что связанное с ним магнитное поле вызывает силу посредством своего взаимодействия, которое противодействует исходному движению , вызывающему вихревые токи.Таково следствие закона Ленца и принципа электромагнитного торможения.

Электромагнитное торможение используется для плавного и равномерного торможения вращающегося или скользящего металлического диска или рельса, например, в аттракционах, трамваях и поездах. Принцип одинаков как для скользящих, так и для вращающихся объектов.

Генераторы и производство энергии

Детали генератора

Генератор — это устройство, преобразующее механическую кинетическую энергию в электрическую энергию .В своей простейшей форме генератор состоит из катушки с проволокой, которую заставляют вращаться вокруг оси в магнитном поле.

Основное конструктивное различие между простым генератором переменного тока и двигателем постоянного тока состоит в том, что коммутатор с разъемным кольцом в двигателе постоянного тока заменен коммутаторами с контактным кольцом. Если бы в генераторе использовались коммутаторы с разъемным кольцом, он генерировал бы постоянный ток.

Как это работает

По мере вращения катушки величина магнитного потока, пронизывающего область катушки, изменяется.Этот изменяющийся магнитный поток индуцирует изменяющуюся ЭДС на концах провода, составляющего катушку. Это соответствует закону индукции Фарадея. Когда катушка генератора вынуждена вращаться с постоянной скоростью, поток, пронизывающий катушку, и ЭДС, создаваемая на концах провода, меняются со временем. ЭДС является наибольшей, когда плоскость катушки перпендикулярна линиям магнитного потока, и наименьшей, когда плоскость перпендикулярна потоку.

Для определения направления тока

Чтобы определить направление генерируемого тока, примените к катушке закон Ленца.Для этого определите, каким образом поток, протекающий через катушку, изменяется в данный момент (т.е. становится ли эффективная площадь катушки больше или меньше? Если площадь катушки увеличивается в этот момент, индуцированный ток будет противодействовать магнитный поток. Если площадь катушки уменьшается, индуцированный ток будет поддерживать магнитный поток). Ток, индуцированный в катушке, будет создавать магнитное поле, которое противодействует изменению потока через катушку.

Деталь	Описание	Роль в двигателе
Катушки	То же, что и двигатель постоянного тока.	Вместо внешнего тока, протекающего через катушку, генератор переменного тока индуцирует ток в своих катушках по закону Ленца, поскольку ротор вынужден вращаться под действием внешнего источника кинетической энергии. Этот индуцированный ток — это то, что выдает генератор.
Постоянные магниты	То же, что и двигатель постоянного тока.	То же, что и двигатель постоянного тока.
Коммутатор контактных колец	Коммутатор с контактным кольцом состоит из двух параллельных колец, каждое из которых прикреплено к одному концу катушки.Эти коммутаторы обеспечивают электрический контакт с внешней цепью через угольные щетки.	Генератор переменного тока генерирует ЭДС и передает эту ЭДС во внешнюю цепь через свои контактные коммутаторы. В отличие от коммутаторов с разъемным кольцом, коммутаторы с контактным кольцом не обеспечивают переключения направления тока.
Кисти	То же, что и двигатель постоянного тока.	То же, что и двигатель постоянного тока.
Ось	То же, что и двигатель постоянного тока.	Вместо вывода кинетической энергии, внешняя кинетическая энергия вводится посредством поворота оси генератора переменного тока.
Якорь	То же, что и двигатель постоянного тока.	То же, что и двигатель постоянного тока.
Статор	То же, что и двигатель постоянного тока.	То же, что и двигатель постоянного тока.
Ротор	То же, что и двигатель постоянного тока.	Ротор вращается за счет внешней кинетической энергии.

Генераторы переменного и постоянного тока

В генераторе переменного тока щетки работают на контактных кольцах , которые поддерживают постоянную связь между вращающейся катушкой и внешней цепью.Это означает, что создаваемое напряжение во внешней цепи изменяется как синусоида.

В генераторе постоянного тока щетки работают на коммутаторе с разъемным кольцом , который меняет местами соединение между катушкой и внешней цепью на каждые пол-оборота катушки. Это означает, что по мере того, как наведенная ЭДС меняет полярность с каждым полувитком катушки, напряжение во внешней цепи колеблется между нулем и максимумом, в то время как ток течет в одном постоянном направлении.

Генераторы

переменного и постоянного тока вырабатывают очень разную электроэнергию, поэтому каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества AC

Недостаток АС

Возможность повышения выходного напряжения для эффективной передачи и пониженного для бытового использования. Передача высокого напряжения для электроэнергии переменного тока сводит к минимуму потери энергии из-за нагрева. У генераторов переменного тока на меньше движущихся частей, на они проще и дешевле в обслуживании. Они производят меньше трения, тепла и шума, легче и эффективнее генераторов постоянного тока. Они на компактнее, , чем генераторы постоянного тока эквивалентной мощности, потому что их конструкция более эффективна и меньше вероятность перегрева. Коммутаторы с контактным кольцом обеспечивают лучший электрический контакт, и, следовательно, могут потребляться намного более высокие токи. от генератора переменного тока, чем от генератора постоянного тока.

Выход генератора переменного тока должен быть постоянно экранирован, чтобы энергия не передавалась в окружающую среду из-за индукции, поскольку переменный ток всегда колеблется и, следовательно, вызывает изменение магнитного потока, которое может вызвать вихревые токи в металлах поблизости. Высокое напряжение AC излучает радиоволны , которые могут создавать помехи другим средствам радиоволновой связи (например, мобильным телефонам, радиостанциям). Это тоже еще один источник потерь энергии. AC более опасен, чем DC. Шок переменного тока более вероятен , вызывая смерть или серьезную травму из-за его воздействия на сердце и диафрагму легких. Переменный ток необходимо сначала выпрямить , прежде чем его можно будет использовать со многими бытовыми приборами, работающими от постоянного тока. Например, компьютеры, электрические зубные щетки, зарядные устройства для мобильных телефонов и т. Д.

Преимущества DC

Недостатки ДК

Генераторы постоянного тока такие же, как двигатели постоянного тока , но используется наоборот. Поэтому они универсальны и могут использоваться в качестве двигателя или генератора без необходимости модификации. Электричество постоянного тока с меньшей вероятностью вызовет смерть или серьезную травму, в отличие от переменного тока, который может вызвать сердечный приступ. Электричество постоянного тока не требует исправления перед использованием во многих бытовых приборах, таких как компьютеры, зарядные устройства и электрические зубные щетки.

Коммутатор в генераторе постоянного тока подвержен износу и более подвержен поломке. Генераторы постоянного тока также не так надежны из-за искрения и износа коммутаторов с разъемным кольцом. Искра , вызванная коммутатором с разъемным кольцом, создает сильные радиоволны, а также озон, который является раздражающим газом. Поскольку напряжение постоянного тока не может быть увеличено с помощью трансформаторов, электроэнергия, произведенная генераторами постоянного тока, будет подвержена большим потерям энергии при передаче на большие расстояния.

Основным недостатком постоянного вместо переменного тока является невозможность повышения напряжения постоянного тока для передачи на большие расстояния. В результате электростанции вырабатывают переменный ток, поскольку электричество переменного тока может передаваться на большие расстояния с минимальными потерями мощности.

Потери энергии при передаче

Энергетические потери из

Напомню из предварительного курса, что. Из этого уравнения можно выделить два фактора, определяющих потери энергии при передаче электроэнергии:

• Сопротивление в проводах
• Ток в проводах

Сопротивление проводов ограничено материалами, выбранными для изготовления проводов передачи. Линии передачи на большие расстояния обычно изготавливаются из алюминия, что является хорошим балансом между электропроводностью, легким весом Al и относительно низкой стоимостью.

Ток в проводах можно регулировать с помощью повышающих трансформаторов. Из уравнения видно, что минимизируя ток, протекающий по проводам, мы минимизируем потери мощности.

Обычно электричество передается при высоком напряжении до 500 кВ. Поскольку максимальное напряжение минимизирует ток (из-за сохранения мощности). Повышающие трансформаторы используются для максимального увеличения напряжения передачи, и поэтому электричество передается как переменный ток.

Энергетические потери в трансформаторах

В трансформаторе возникают дополнительные потери, в основном из-за электромагнитной индукции, вызывающей вихревые токи в железных сердечниках внутри трансформатора.Мало того, что индукция вихревых токов неэффективна из-за того, что для их создания использовалась ЭДС, но и возникающие в результате вихревые токи нагревают железный сердечник и, следовательно, катушки трансформатора, увеличивая их сопротивление.

Потери энергии в трансформаторах можно свести к минимуму за счет ламинирования стального сердечника и использования охлаждающих вентиляторов для охлаждения трансформатора.

Потери энергии из-за излучения радиоволн

Быстрое переключение направления тока в переменном токе заставляет линии передачи действовать как огромная радиоантенна, излучающая радиоволны с той же частотой, что и переменный ток.В Австралии переменный ток передается с частотой 50 Гц, в результате чего линии передачи излучают радиоволны с частотой 50 Гц. Это еще один источник потерь энергии при передаче электроэнергии, который может нарушить определенную радиосвязь.

Воздействие генераторов переменного тока на общество и окружающую среду

Влияние на общество

Генерация переменного тока

и ее способность изменять напряжение с помощью трансформаторов оказали положительное влияние на общество.

Мощность переменного тока

может передаваться на большие расстояния с минимальными потерями мощности, поскольку его напряжение можно повышать и понижать с помощью трансформаторов.Это означает, что производство электроэнергии может происходить вдали от городских районов, ограничивая загрязнение, вблизи населенных пунктов. Производство электроэнергии также может быть расположено рядом с природными ресурсами, такими как угольные шахты, снижает стоимость электроэнергии . Генерация переменного тока также может осуществляться в большом масштабе , а затем распределяться на большие расстояния среди множества людей. Это приводит к эффекту масштаба , в результате чего электроэнергия становится дешевле. Снижение стоимости электроэнергии повысило уровень жизни всего населения, сделав ее доступной для большего числа людей.

Универсальность переменного тока, которую можно повышать или понижать и выпрямлять для получения постоянного тока, привела к разработке бытовой техники, которая повысила наше удобство в повседневной жизни. Например, стиральные машины сокращают потребность в ручном труде при стирке дома, холодильники дольше сохраняют наши продукты свежими, а кондиционеры и обогреватели обеспечивают нам комфорт. Промышленность может использовать электроэнергию, доставляемую на большие расстояния, в больших масштабах для питания тяжелой техники .

С отрицательной стороны, атмосферное загрязнение из-за побочных продуктов сжигания угля на электростанциях чрезвычайно возросло, поскольку с годами удовлетворяется все больший спрос на электроэнергию. Загрязнение неблагоприятно для нашего здоровья и может попасть в пищевую цепочку через зерновые, водные или сельскохозяйственные животные. Повсеместное использование AC увеличило нашу зависимость от сырой нефти , что подвергает нас риску политических событий, таких как война на Ближнем Востоке, или других экономических факторов, которые могут повлиять на цены на сырую нефть.По мере того, как мы движемся в будущее, цены на сырую нефть будут расти, что приведет к увеличению стоимости электроэнергии, получаемой из сырой нефти.

Воздействие на окружающую среду

Воздействие на окружающую среду в результате разработки генераторов переменного тока и повсеместного использования электроэнергии было в целом отрицательным.

За счет размещения производства электроэнергии вдали от населенных пунктов, уровни загрязнения вблизи городов были снижены на . Крупномасштабное производство электроэнергии более эффективно, чем мелкие генераторы, разбросанные по городам. Повышенная эффективность снижает выбросы загрязняющих веществ на единицу произведенной электроэнергии. Наконец, дешевая и повсеместная доступность электроэнергии позволила ученым и инженерам разработать технологии, которые могут привести к появлению возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии, энергии ветра), экологически чистых автомобилей (например, гибридных автомобилей, электромобилей) и способов решения проблем. изменение климата.

Однако выбросы диоксида карбиона в результате крупномасштабного производства электроэнергии вносят значительный вклад в глобальное потепление .Актуальный вопрос современной мировой политики — это вопрос о том, как бороться с изменением климата из-за десятилетий загрязнения от транспортных средств, промышленности и производства электроэнергии.

Помимо загрязнения атмосферы, электростанции сбрасывают тепловые загрязнения в виде теплой воды в естественные водотоки. Это отрицательно влияет на водные организмы, уменьшая растворенный в воде кислород, или давая ложные сигналы видам рыб, или убивая организмы в пищевой цепи, влияя на высшие организмы в этой цепи.

Есть опасения по поводу рисков для здоровья людей, живущих вблизи высоковольтных линий электропередачи. Разработка схем гидроэлектроэнергии для выработки электроэнергии переменного тока серьезно повлияла на определенные области окружающей среды, требуя создания огромных плотин, затопления лесов, долин и даже городов.

Вестингауз против Эдисона

Westinghouse и Edison напрямую соревновались в поставках электричества в города. Эдисон, который разработал первые устройства для питания постоянного тока (e.г. лампочки и двигатели постоянного тока), спланировали энергосистему постоянного тока и отстаивали постоянный ток как решение для энергоснабжения городов. Вестингауз работал с Теслой, который разработал систему распределения переменного тока, преимущество которой заключалось в возможности манипулировать напряжением тока в процессе.

Преимущества DC

Преимущества AC

DC был безопаснее . Поражение электрическим током постоянного тока с меньшей вероятностью приведет к летальному исходу, поскольку оно не оказало особого воздействия на сердце.Напротив, поражение электрическим током от переменного тока может нарушить координацию сердца и вызвать фибрилляцию (сердечный приступ), ведущую к смерти в считанные минуты. Постоянный ток не нужно было исправлять для многих приборов, использующих постоянный ток. В конце 1800-х годов единственными электрическими приборами, используемыми потребителями, были лампа накаливания (электрическая лампочка) и двигатель постоянного тока, оба из которых хорошо работали с постоянным током. DC не подвергался скин-эффекту , который испытывает переменный ток при движении через проводники.Скин-эффект описывает тенденцию переменного тока течь вблизи поверхности проводников, увеличивая кажущееся сопротивление проводников для переменного тока. Передача постоянного тока не излучает радиоволны , в отличие от переменного тока. (Однако последние два пункта не были поняты во время дебатов о течениях.)

Для генераторов постоянного тока требовался коммутатор с разъемным кольцом, который быстро изнашивался, вызывал искрение и был неэффективен при выдаче больших токов. Напряжениями переменного тока можно управлять с помощью трансформаторов.Это было главным преимуществом распределительной системы Westinghouse перед системой Эдисона, поскольку генерация переменного тока могла осуществляться в больших масштабах, вдали от населенных пунктов. Напротив, генераторы постоянного тока должны быть расположены в пределах 1-2 км от потребителей. За пределами этого расстояния падение напряжения при передаче становится слишком большим. Крупномасштабная генерация переменного тока вдали от населенных пунктов приводит к: Повышенная эффективность Снижение загрязнения в населенных пунктах Нет необходимости согласовывать / доставлять топливо в города для местных генераторов постоянного тока

В конце концов, превосходная эффективность распределительных систем AC и вытекающая из этого возможность строить электростанции переменного тока вдали от населенных пунктов перевесили опасности и другие аргументы против переменного тока.Таким образом, система кондиционирования Westinghouse стала предшественником современного способа распределения электроэнергии.

Устройства безопасности в линиях электропередачи

Изоляция от несущей конструкции

В сухом воздухе электричество высокого напряжения может прыгать на расстояние 1 см на каждые 10 000 В разности потенциалов. Следовательно, линия передачи 330 кВ может вызвать искру до опоры, удерживающей ее, если она находится в пределах 33 см от проводника.

В условиях высокой влажности (например, во время дождя) максимальное искрообразование больше.Чтобы предотвратить скачки искр от линий электропередачи к опорам, большие керамические изоляторы в форме дисков отделяют проводники от удерживающих их опор. Диски уложены друг на друга, так что даже во время дождя вода не может образовывать непрерывную струйку , образуя проводящий зазор между пилоном и проводником. Кроме того, форма диска означает, что ток проходит на большее расстояние, что увеличивает безопасность.

Защита от ударов молнии

На каждом пилоне есть пара проводов (или один проводник), который находится на самом верху пилона.Это называется проводником экрана .

В случае удара молнии молния попадает в самую высокую точку пилона, и поэтому удар по проводнику экрана наверху, а не по нижним проводящим линиям.

Экранный проводник заземляется путем подключения к проводу, идущему от вершины опоры башни прямо к земле (известному как заземляющий провод), так что молния может перемещаться с неба на землю через проводники экрана, а не линии электропередач.

Трансформаторы

Назначение трансформаторов

Трансформатор — это устройство, которое может управлять током и напряжением в цепи. Он состоит из двух катушек, одна из которых называется первичной, а другая — вторичной. Эти катушки могут быть намотаны вместе на один сердечник из мягкого железа или связаны сердечником из мягкого железа. Последний показан слева.

Когда переменный ток подается через первичную катушку, он индуцирует быстро переключающиеся линии магнитного потока через железный сердечник, пронизывая вторичную катушку.Этот изменяющийся поток индуцирует вторичный переменный ток во вторичной катушке с другим напряжением и током.

Напряжение и ток наведенного переменного тока во вторичной катушке относительно исходного переменного тока можно контролировать с помощью соотношения количества витков между первичной и вторичной обмотками.

Общее отношение

Вторичное напряжение может быть больше или меньше первичного, в зависимости от конструкции трансформатора. Величина вторичного напряжения зависит от числа витков провода в первичной обмотке n _p относительно числа витков вторичной обмотки n _s .

Если трансформатор «идеальный», это:

• КПД 100%, а потребляемая энергия в первичной катушке равна выходной энергии вторичной катушки (соблюдается сохранение энергии)
• Скорость изменения потока через обе катушки одинакова

Закон Фарадея можно использовать, чтобы показать, что вторичное напряжение находится по формуле:

Точно так же входное первичное напряжение, V _p , связано с изменением магнитного потока уравнением:

Разделив эти уравнения, мы получим уравнение трансформатора:

Повышающие и понижающие трансформаторы

Если n _s больше, чем n _p , выходное напряжение будет больше входного напряжения.Такой трансформатор известен как повышающий трансформатор.

Если n _s меньше n _p , выходное напряжение будет меньше входного. Такой трансформатор известен как понижающий трансформатор.

Повышающие трансформаторы

Понижающие трансформаторы

Состоит из двух индуктивно связанных катушек, намотанных на многослойном железном сердечнике. Больше витков во вторичной обмотке, чем в первичной обмотке Выходное напряжение больше входного Выходной ток меньше входного Используется на электростанциях для повышения напряжения и снижения тока при передаче на большие расстояния.Также используется в телевизорах с ЭЛТ, микроволновых печах и других приборах, требующих высокого напряжения.

Состоит из двух индуктивно связанных катушек, намотанных на многослойном железном сердечнике. Больше витков в первичной обмотке, чем во вторичной Выходное напряжение меньше входного Выходной ток больше входного Используется на подстанциях и в городах для снижения напряжения в линиях электропередачи для бытового и промышленного использования.Также используется в зарядных устройствах для электронного оборудования (например, зарядных устройствах для мобильных телефонов, зарядных устройствах для iPod) для преобразования 240 В переменного тока в более низкие напряжения постоянного тока

Трансформаторы и сохранение энергии

Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или разрушена, но энергия может быть преобразована из одной формы в другую . Трансформаторы не являются исключением из этого закона, поэтому мощность, подаваемая на первичную обмотку, должна равняться мощности, генерируемой на вторичной обмотке (для идеального трансформатора).

Следовательно:

Комбинируя это уравнение с уравнением трансформатора, мы получаем другое соотношение:

Итак, объединив оба отношения, мы получим:

Вихревые токи в трансформаторах

Управление вихревыми токами

Для неидеальных трансформаторов некоторая энергия обычно преобразуется в тепловую энергию в трансформаторе из-за возникновения вихревых токов в железном сердечнике. Другими словами, вихревые токи в железном сердечнике вызывают нагрев трансформатора.Каждый раз, когда энергия трансформируется из одной формы в другую, уменьшается полезная энергия.

Вихревые токи возникают из-за того, что когда изменяющийся магнитный поток пронизывает железный сердечник, в железном сердечнике также индуцируется электрический ток, нагревая его. Это приводит к неэффективности трансформаторов, поскольку не вся электрическая мощность, подаваемая в первичную обмотку, восстанавливается во вторичной обмотке.

Для решения этой проблемы:

• Вместо железа можно использовать ферриты , сложные оксиды железа и других металлов.Ферриты хорошо пропускают поток, но плохо проводят электричество, поэтому вихревые токи и нагрев сведены к минимуму.
• Железный сердечник можно разрезать на тонкие слои, а затем снова собрать вместе с изоляцией между каждым слоем. Этот процесс, известный как ламинирование , разрушает большие вихревые токи и сводит их к минимуму, поскольку токи могут образовываться только в каждой пластине. Это означает меньшие вихревые токи и, следовательно, меньший нагрев. Пластины должны быть перпендикулярны плоскости катушек, чтобы минимизировать образование вихревых токов.

Проблемы, связанные с горячими трансформаторами

Если трансформатор нагревается, сопротивление проводки в катушках увеличивается. Если электрическое сопротивление катушек увеличивается, то при прохождении электричества выделяется больше тепла, и трансформатор становится еще горячее. Чтобы трансформатор оставался холодным, мы можем:

• Добавьте радиаторов к трансформатору, чтобы увеличить скорость отвода тепла в окружающую среду за счет большей площади поверхности.
• Сделайте корпус трансформатора изнутри из черного материала, чтобы тепло, выделяемое внутри, эффективно поглощалось корпусом и быстрее возвращалось в окружающую среду.
• Добавьте вентиляторы , чтобы отводить горячий воздух изнутри трансформатора.
• Заполните трансформатор маслом , которое имеет высокую теплопроводность, быстро отводя тепло от катушек.
• Держите трансформатор под открытым небом в хорошо вентилируемых помещениях, чтобы обеспечить максимальный поток воздуха вокруг них.

Трансформаторы силовые передачи

Потери мощности при передаче электроэнергии в основном вызваны нагревом проводов передачи. Потери мощности при передаче задаются уравнением:, поэтому очевидно, что потери мощности зависят от тока, протекающего через провод, а также от сопротивления провода.

Чтобы свести к минимуму потери мощности при передаче, мы используем повышающие трансформаторы , чтобы поднять напряжение электричества и тем самым уменьшить ток (вспомните это).Это значительно снижает мощность, потребляемую проводами передачи, и тем самым снижает потери энергии.

Использование трансформаторов для передачи электроэнергии от электростанции к месту ее использования дает значительный прирост эффективности, сокращает потребление топлива электростанцией, а снижает цену на электроэнергию. Из уравнения видно, что P уменьшается квадратично с I. Например, напряжение передачи увеличивается вдвое, ток уменьшается вдвое, а потери мощности уменьшаются в четыре раза.Если ток уменьшен в 10 раз, потери мощности уменьшатся в 100 раз!

Электроэнергия вырабатывается с напряжением от 10 кВ до 25 кВ, которое затем повышается до высокого напряжения перед передачей. В Австралии электричество обычно передается при напряжении 500 кВ, чтобы минимизировать потери энергии. Когда электричество достигает населенных пунктов, оно последовательно снижается до тех пор, пока в целях безопасности не будет доставлено в дом при 240 В переменного тока.

Кроме того, для разных устройств требуется разное напряжение — для компьютеров и ламп накаливания требуется гораздо меньшее напряжение, чем для телевизоров и люминесцентных ламп, для которых может потребоваться напряжение до 10 000 В.Трансформаторы необходимы для обеспечения питания каждого устройства соответствующим напряжением.

Однако высоковольтные линии электропередач подвержены возникновению дуги и поэтому должны быть разделены, как и подстанции, которые могут быть чрезвычайно опасными для находящихся поблизости людей. Хотя трансформаторы значительно повысили эффективность передачи электроэнергии , они также вызвали проблемы безопасности и потребовали специальной инфраструктуры для обеспечения безопасности людей.

Электродвигатели переменного тока

В курсе HSC есть два типа двигателей переменного тока:

• Универсальные двигатели
• Двигатели асинхронные

Универсальные двигатели

Универсальный двигатель похож на двигатель постоянного тока, но вместо постоянных магнитов используются электромагниты, а вместо коммутатора с разъемным кольцом используются коммутаторы с контактным кольцом.Он может работать от источника переменного или постоянного тока (но версия для постоянного тока должна использовать коммутатор с разъемным кольцом вместо коммутатора с контактным кольцом).

Причина, по которой универсальный двигатель может использовать переменный ток, заключается в том, что поскольку переменный ток переключает направление, магнитное поле, создаваемое электромагнитами, также переключается в направлении одновременно. Это двойное переключение в то же время заставляет направление крутящего момента на катушке оставаться таким же, как .

Универсальный двигатель обычно используется для небольших машин, таких как переносные дрели и миксеры для пищевых продуктов.

Двигатели асинхронные

Асинхронный двигатель — это машина переменного тока, в которой крутящий момент создается взаимодействием вращающегося магнитного поля , создаваемого статором, и токов, индуцируемых в роторе. У асинхронных двигателей есть роторы, которые не подключены к источнику питания. Вместо этого на ротор пронизан поток вращающегося магнитного поля, и вращение достигается за счет того, что ротор действует по закону Ленца, «преследуя» вращающееся магнитное поле, чтобы противодействовать относительному движению.

Преимущества

Недостатки

Поскольку ротор ни к чему не прикреплен, он вращается с низким трением. Следовательно, асинхронные двигатели подвержены меньшему износу по сравнению с нормальным использованием. Отсутствие необходимости в коммутаторе означает отсутствие искрообразования или потерь КПД из-за трения, а также на двигатель могут подаваться большие токи. Скорость вращения предсказуема, так как частота вращения будет той же, что и частота переменного тока

Относительно низкий пусковой момент Требуется 3 фазы переменного тока вместо одной для универсальных двигателей или двигателей постоянного тока Относительно сложный, требующий нескольких пар катушек Скорость ограничена и не может превышать частоту переменного тока.Например, в Австралии частота нашего переменного тока составляет 50 Гц, поэтому все асинхронные двигатели не могут превышать скорость вращения 50 оборотов в секунду (или 3000 об / мин)

Энергетические преобразования в промышленности и быту

Электричество — это простой способ передачи энергии от точки к точке. Преимущество электричества не только в том, что его относительно легко транспортировать, но и в том, что легко преобразовать его в другие формы .

В доме электричество преобразуется в кинетическую энергию (например, фены, стиральные машины) или электромагнитное излучение (например, лампочки, микроволновые печи, экраны компьютеров) или тепловую энергию (электрические плиты, электрические обогреватели, электрические одеяла) . В промышленности тоже происходят такие же преобразования.

Дом

Промышленность

Электроэнергия в доме преобразуется в следующие виды энергии: Электромагнитное излучение Свет от лампочек СВЧ-излучение внутри микроволновых печей Свет от телевизоров и экранов компьютеров Тепло Электрические варочные панели Духовки электрические Одеяла электрические Электронагреватели Кинетическая энергия Фены Стиральные машины Вентиляторы Звук Колонки в радиоприемниках и телевизорах Сигнализация Химическая потенциальная энергия Зарядка аккумуляторов в мобильных телефонах, iPod и т. Д.

Электроэнергия в промышленности преобразуется в следующие виды энергии: Электромагнитное излучение Общее освещение Лазеры в производстве интегральных схем Рентгеновские лучи для обнаружения трещин Радиоволны для связи Тепло Индукционные печи для плавки металлов Электродуговая сварка Кинетическая энергия Химическая потенциальная энергия Гальваника Электролитические процессы Производство аккумуляторов

DC-Motor — Конспект лекций 4

DC-Motor — Конспект лекций 4

Комментарии

• Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии.

Предварительный текст

Двигатель постоянного тока

2 U.1 Введение

Электродвигатель — это машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую энергию

.

Почему двигатели постоянного тока так распространены, когда сами энергосистемы постоянного тока

встречаются довольно редко?

1. Системы питания постоянного тока все еще распространены в грузовиках, самолетах и ​​

легковых автомобилях (пусковой двигатель на всех автомобилях, внешние зеркала заднего вида, дворники

, топливный насос, насос впрыска воды, вентилятор охлаждения).

2. Двигатель постоянного тока был ситуацией, когда требовались широкие вариации скорости

.

Если проводник с током помещен в магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами

, то поле из-за проводника с током

и постоянные магниты взаимодействуют и вызывают приложение силы к проводнику

как показано на рис. (2.1). Сила, действующая на проводник с током

в магнитном поле, зависит от:

(a) плотности потока поля B (тесла).

(б) Сила тока, I (Амперы).

(c) Длина проводника, перпендикулярного магнитному полю,

l (метры).

(d) Направление поля и тока (угол).

Когда магнитное поле, ток и проводник взаимно расположены под прямым углом

, тогда

Сила F = B.l.I Ньютона

Когда проводник и поле находятся под углом (θ

ο

) друг к другу, то

Сила F = B.l.I.sin (θ)

Ньютона Как показано на рисунке (2.1), поле усиливается над проводником

и ослабевает под ним, таким образом, стремясь сместить проводник вниз.

Это основной принцип работы электродвигателя.

Рис. (2.1)

Направление силы, действующей на проводник, может быть задано

с помощью правила левой руки Флеминга (часто называемого правилом двигателя).

Фиг. (2.2)

Когда катушка перевернулась (90

o

) из положения, показанного на рисунке

, щетки, подключенные к положительной и отрицательной клеммам источника питания

, контактируют с разными половинами кольца коммутатора, таким образом

меняет направление тока в проводнике.Если ток

не реверсируется, и катушка вращается мимо этого положения, силы

, действующие на нее, изменяют направление, и он вращается в противоположном направлении, таким образом,

никогда не совершает более половины оборота.

Направление тока меняется на противоположное каждый раз, когда катушка проходит через вертикальное положение

, и, таким образом, катушка вращается против часовой стрелки до тех пор, пока течет ток

. Это принцип работы двигателя постоянного тока

, то есть устройства, которое принимает электрическую энергию и преобразует ее в механическую энергию

.

2 U.3 Значение обратной э.д.с.

Когда якорь двигателя вращается, проводники также вращаются и, следовательно,

разрезает магнитный поток. В соответствии с законами электромагнитной индукции

э, м.ф. индуцируется в них, направление которых, как установлено Правилом правой руки Флеминга —

, противоположно подаваемому напряжению. Из-за противоположного направления

он упоминается как встречный ЭДС. или обратно э.м.ф. (ERbR). Будет

видно, что

V = Eb + I a.Ra

а

б а R

V E Я

 

null

Где (RRaR) — сопротивление цепи якоря. Как указано выше

Eb = n

а

ZP  60

Вольт

а

я

я

а конд

Задний э.м. зависит, среди прочего, от скорости якоря. Если скорость

высокая, ERbR велико, следовательно, ток якоря (IRaR), как видно из уравнения

выше, невелик.

Если скорость меньше, тогда (ERbR) меньше, следовательно, течет больше тока, который

развивает больший крутящий момент. Итак, мы находим, что (ERbR) действует как регулятор, то есть

заставляет двигатель саморегулироваться, так что он потребляет столько тока, сколько необходимо

.

2 U.4 Уравнение наведения крутящего момента машины постоянного тока

Крутящий момент в любой машине постоянного тока зависит от трех факторов:

1. Поток (ɸ) в машине.

2. Ток якоря (или ротора) (IRaR) в машине.

3. Постоянная, зависящая от конструкции станка.

Крутящий момент на якоре реальной машины равен количеству

проводов (Z), умноженному на крутящий момент на каждом проводе. Крутящий момент в любом одножильном проводе

под торцами полюсов равен.

TCond. = r.F

r

F = B.l.ICond.

T = r.B.l.ICond.

F

Если в машине есть (а) пути тока, то общий ток якоря

(Ia) делится между (а) путями тока, поэтому ток в одном проводе

определяется как

а крутящий момент в одном проводе двигателя может быть выражен как

a

руб. Т

а

cond

2 U.5 типов двигателей постоянного тока

(a) Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом

Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом, показанный на рис. (2.4), имеет конструкцию

так же, как и его аналог генератора постоянного тока.

Фиг. (2.4)

Когда используется этот тип двигателя, источник питания постоянного тока подключается

непосредственно к проводам якоря через щетку к коммутатору

в сборе. Магнитное поле создается постоянными магнитами

, установленными на статоре.Двигатель с постоянными магнитами имеет ряд преимуществ

по сравнению с двигателями постоянного тока обычных типов. Преимущество

заключается в снижении эксплуатационных расходов, а направление вращения двигателя с постоянным магнитом

можно изменить на противоположное, поменяв местами две линии питания. Скорость

двигателя с постоянными магнитами аналогична скорости двигателя постоянного тока с шунтовой обмоткой

.

Фиг. (2.5)

(b) Двигатель постоянного тока с шунтовой обмоткой

Двигатели постоянного тока с параллельной обмоткой используются чаще, чем любой другой тип двигателя

D.Двигатель C. Как показано на рисунке (2.6), электродвигатель постоянного тока

с параллельной обмоткой имеет катушки возбуждения, подключенные параллельно его якорю. Этот тип двигателя DC

имеет обмотки возбуждения, которые намотаны из множества витков провода

малого диаметра и имеют относительно высокое сопротивление. Поскольку поле представляет собой параллельный путь с высоким сопротивлением

цепи шунтирующего двигателя, через поле протекает небольшой ток

. Сильное электромагнитное поле

создается из-за множества витков провода, образующих обмотки возбуждения.

Поскольку ток возбуждения мало влияет на напряженность поля, на скорость двигателя

не оказывает заметного влияния изменение тока нагрузки.

В = Eb + Ia .Ra

I = I a + I f

Фиг. (2.6)

Благодаря хорошему регулированию скорости и простоте регулирования скорости, параллельный двигатель

постоянного тока обычно используется в промышленности.

(d) Электродвигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой

Электродвигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой имеет два набора обмоток возбуждения: один в серии

с якорем, а другой — параллельно.Этот двигатель сочетает в себе желаемые характеристики

двигателей с последовательной и параллельной обмоткой. Он имеет высокий крутящий момент

, аналогичный крутящему моменту двигателя с последовательным заводом, а также хорошую регулировку скорости

, аналогичную регулированию скорости параллельного двигателя. Следовательно, когда требуются хороший крутящий момент

и хорошее регулирование скорости, можно использовать двигатель D.C

с комбинированной обмоткой. Существует два распространенных типа соединения составного двигателя

, длинное шунтирующее соединение и короткое шунтирующее соединение, как

, показанное на рис.(2.8). И есть два различных типа составных двигателей

, которые широко используются, это совокупный составной двигатель и дифференциальный составной двигатель

.

Фиг. (2.8)

2 Двигатели U.6 Характеристики

Характеристические кривые двигателя — это те кривые, которые показывают соотношение

между следующими величинами:

1. Крутящий момент и ток якоря, т.е. характеристика (T / IRaR).

2. Характеристика скорости и тока якоря (n / IRaR).

3. Характеристика скорости и крутящего момента (n / T).

2.6.1 Характеристика двигателя с параллельной обмоткой

1. (T / IRaR) Характеристика

Теоретический крутящий момент / ток якоря (с / с) может быть получен из выражения

T ∝ɸ.Ia для шунта. обмотка возбуждения

подключена параллельно цепи якоря, и, таким образом, приложенное напряжение

дает постоянный ток возбуждения, т. е. двигатель с шунтовой обмоткой представляет собой машину с постоянным магнитным потоком

.Поскольку (ɸ) постоянна, то T ∝ Ia, а

(c / s) такое, как показано на рис. (2.9).

Фиг. (2.9)

Рис. (2.10) Рис. (2.11)

2.6.2 Характеристика двигателя с последовательной обмоткой

1. (T / IRaR) Характеристика

В последовательном двигателе ток якоря протекает в обмотке возбуждения

и равен току питания (I). Крутящий момент T φIa в ограниченном диапазоне

до достижения магнитного насыщения магнитной цепи двигателя

.Таким образом, (φ ∝ I) и (T ∝ I

2

). Следовательно, кривая (T / IRaR) представляет собой параболу, как

, показанную на рис. (2.12). После магнитного насыщения φ почти становится постоянной

и (T ∝I), поэтому характеристика становится прямой.

Фиг. (2.12)

I

(VIR)

I

V

2. (n / IRaR) Характеристика

В последовательном двигателе I a = I и ниже уровня магнитного насыщения

φ ∝ I. Таким образом n ∝, когда (R) — это суммарное сопротивление цепи поля и якоря серии

.

Фиг. (2.13)

Поскольку (I.R) мало по сравнению с (V), приблизительное соотношение

для скорости равно n ∝, поскольку (V) постоянна. Следовательно,

Скорость изменяется обратно пропорционально току якоря, как показано на рис. (2.13). Высокая скорость

при малых значениях тока указывает на то, что этот тип двигателя

не должен работать при очень легких нагрузках и всегда. Такие двигатели

постоянно подключены к своим нагрузкам.

2.6.3 Характеристики двигателя с комбинированной обмоткой

Двигатель с комбинированной обмоткой имеет как последовательную, так и шунтирующую обмотку возбуждения,

(т.е.е. одна обмотка последовательно и одна параллельно цепи якоря),

путем изменения количества витков в последовательной и шунтирующей обмотках и

направлений магнитных полей, создаваемых этими обмотками (вспомогательных или

противоположных), семейства of (c / s) можно получить почти для всех

приложений. Существует два распространенных типа соединения составного двигателя

: соединение с длинным шунтом и соединение с коротким шунтом. И

,

, используются два разных типа составных двигателей:

— это совокупный составной двигатель и дифференциальный составной двигатель

.В кумулятивном составном двигателе поле, создаваемое обмоткой серии

, помогает полю, создаваемому шунтирующей обмоткой. Скорость

этого двигателя падает с увеличением тока быстрее, чем скорость

шунтирующего двигателя, потому что поле увеличивается. В дифференциальном составном двигателе

поток от последовательной обмотки противодействует потоку от шунтирующей обмотки

. Следовательно, поток поля уменьшается с увеличением тока нагрузки.

Поскольку магнитный поток уменьшается, скорость может увеличиваться с увеличением нагрузки

.В зависимости от соотношения ампер-витков последовательного поля к шунтирующему полю,

скорость двигателя может увеличиваться очень быстро.

Фиг. (2.15)

Крутящий момент-скорость (с / с) двигателя постоянного тока с кумулятивным составом

В двигателе постоянного тока с кумулятивным составом присутствует составляющая потока

, которая является постоянной, и составляющая пыльника, которая пропорциональна его току якоря

(и таким образом к его нагрузке). Следовательно, комбинированный двигатель

в совокупности имеет более высокий пусковой момент, чем параллельный двигатель

(поток которого постоянен), но более низкий пусковой момент, чем последовательный двигатель

(весь поток которого пропорционален току якоря).При малых нагрузках поле серии

оказывает очень небольшое влияние, поэтому двигатель ведет себя примерно

как шунтирующий двигатель постоянного тока. По мере того, как нагрузка становится очень большой, поток

становится очень важным, и кривая крутящего момента-скорости начинает напоминать двигатель серии

(c / s). Сравнение скорости вращения крутящего момента (с / с) каждого из

машин этого типа показано на рисунке (2.16).

Крутящий момент-скорость (с / с) двигателя постоянного тока с дифференциальным составом

В дифференциальном соединении D.C. двигателя, шунтирующая движущая сила магнето

,

и последовательная движущая сила магнето вычитаются друг из друга. Это означает

, что по мере увеличения нагрузки на двигатель IRaR увеличивается, а магнитный поток в двигателе

уменьшается. Но по мере уменьшения магнитного потока скорость двигателя

увеличивается. Это увеличение скорости вызывает дополнительное увеличение нагрузки, что

дополнительно увеличивает IRa R, дополнительно уменьшая магнитный поток и снова увеличивая скорость

. В результате двигатель с дифференцированной компоновкой нестабилен

,

и имеет тенденцию убегать.Это настолько плохо, что дифференциально-составной двигатель

непригоден для любого применения.

n

Кумулятивно

соединение п

серии

Шунт

T

T

Рисунок (2.16)



1



(VIRaa)

2 U.8 Регулирование скорости двигателя постоянного тока

2.8.1 Двигатель с параллельной обмоткой

Скорость двигателя постоянного тока с параллельной обмоткой, n, пропорциональна



(VIRaa)

Скорость изменяется либо путем изменения значения потока, либо

null

путем изменения значения (Ra).Первое достигается за счет использования переменного резистора

, включенного последовательно с обмоткой возбуждения, как показано на рис. (2.18), и такой резистор

называется шунтирующим регулятором поля. По мере увеличения значения сопротивления шунтирующего регулятора поля

значение тока возбуждения (If) на

уменьшается. Это приводит к уменьшению значения магнитного потока (φ) и, следовательно, к увеличению скорости на

, поскольку n. Таким образом, этим методом могут быть получены только скорости выше

, указанные без шунтирующего регулятора поля.

Скорости ниже указанных в



(VI Raa)

получаются увеличением сопротивления в цепи якоря на

, как показано на рис. (2.18), где

n

Поскольку резистор (R) включен последовательно с якорем, он несет полный ток якоря

. и приводит к большим потерям мощности в больших двигателях, где требуется значительное снижение скорости

в течение длительного времени.

Фиг. (2.18)

2.8.2 Двигатель с последовательной обмоткой

Регулирование скорости двигателей с последовательной обмоткой достигается с использованием либо (а) сопротивления поля

, либо (б) методов сопротивления якоря.

(a) Скорость двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой определяется по формуле:

n = K



VIR

Где (K) — постоянная величина, (V) — напряжение на клеммах, (R) — это суммарное сопротивление якоря и последовательного поля

, а (φ) — поток

.

Таким образом, уменьшение потока приводит к увеличению скорости.Это достигается путем включения переменного сопротивления параллельно обмотке возбуждения

и уменьшения тока возбуждения и, следовательно, магнитного потока для данного значения тока питания

. Принципиальная схема этого устройства

показана на рис. (2.19). Переменный резистор, подключенный параллельно полю

с последовательной обмоткой для управления скоростью, называется отклоняющим устройством. Скорости выше

.

, указанные без отклонителя, получаются этим методом.

Фиг.(2,19)

.