Принцип работы эл двигателя постоянного тока: Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока | Полезные статьи — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Двигатель постоянного тока | Устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока

Электрические машины востребованы для работы оборудования разного назначения. Агрегаты встречаются в бытовых и промышленных устройствах. Для получения большой механической мощности с возможностью управления частотой вращения спросом пользуется двигатель постоянного тока (ДПТ или DC двигатели).

Устройство и принцип действия

Внешне двигатель постоянного тока представлен компактным моноблочным устройством с клеммами для подключения. На выходе вал, через который передается крутящий момент рабочему механизму.

Электрическая машина состоит из двух основных компонентов:

Статор. Неподвижный элемент двигателя с обмоткой для возбуждения электродвижущей силы (ЭДС). У статора противоположно расположено два постоянных магнита с разными полюсами.
Ротор. Вращающийся элемент ДПТ, который преобразует электромагнитную силу в механическую энергию.

На роторе присутствует токопроводящая обмотка с концами на щетках. Они являются контактами, на которые подается электроэнергия. Поток заряженных частиц через обмотку проходит по касательной постоянный магнит статора, возбуждая электродвижущую силу. Она приводит в действие ротор, который вращается с постоянной скоростью.

Направление потока электрических зарядов векторное и прямое, поэтому ротор двигателя немного прокрутится и остановится. Для непрерывного вращения на его конце установлена токопроводящая пластина (ламель).

Но одной ламели недостаточно, т.к. после проворачивания ротора на 180 °C на пути будет магнит с обратной полярностью. И чтобы якорь не вращался «туда-сюда», ламели расположены по всей окружности конца ротора в виде неподвижного щеточного коллектора на подшипниках скольжения. Независимо от текущего положения ротора, в любой момент вращения возле магнита всегда будет ламель, принимающая постоянный ток.

За свою конструкцию такие машины называются коллекторными электродвигателями. Они первыми были разработаны и до сих пор в спросе. Агрегаты долговечны, поддерживают регулировочную скорость вращения ротора. Все электрические машины постоянного тока — синхронные двигатели. Называются они так по причине одинаковой скорости вращения магнитного поля и ротора.

С развитием электроники появились DC двигатели без щеточного коллектора. Постоянный ток подается на статор, а закрепленные на роторе постоянные магниты начинают вращать якорь. С конструктивной стороны такие машины более сложные и имеют узкое назначение. Используются в условиях, в которых применение коллекторных электродвигателей не оправдано.

Способы возбуждения ЭДС ДПТ

Благодаря низкой себестоимости коллекторные электромоторы распространены в недорогих бытовых устройствах. Но их мощности недостаточно для крупногабаритного оборудования. Поэтому в промышленности применяются машины с обмоткой на статоре (вместо постоянного магнита). По классификации агрегаты отличаются способом возбуждения ЭДС.

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения на статоре и на якоре питаются от одного источника постоянного тока. Сначала он проходит по статору, а когда он поступит на ротор, уже будет действовать ЭДС. Это самая удачная схема запуска двигателя — можно обеспечить плавный пуск машины и доступна регулировочная скорость вращения.

Но есть и существенный недостаток — возбуждаемое магнитное поле растет лишь с повышением постоянного тока. Поэтому для получения высокой скорости подается больше мощности. В результате часто происходят искрения и перегорания ламелей. При использовании двигателей с последовательным возбуждением приходится выбирать между производительностью и долговечностью.

Параллельное возбуждение

Поток частиц идет от одного источника одновременно на обмотки статора и ротора ДПТ. Напряжение будет одинаковым, а вот сила распределяться между проводниками. Машины с такой конфигурации самые простые в производстве и компактны. Концы проводников статора и ротора подсоединены напрямую к щеткам. Нет дополнительных соединений обмоток между собой (которое есть при последовательном возбуждении).

Но с увеличением силы заряда на обмотке возбуждения, на якоре будет спад, и наоборот. Поэтому электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением могут работать лишь с одной скоростью. Они часто используются в насосах магистральных трубопроводов, которые работают под конкретным напором.

Независимое возбуждение

На якорь и статор подается напряжение от разных источников питания. Такая схема позволяет обеспечить плавный пуск, т.к. при увеличении скорости вращения возбужденное поле не меняется. И это значительно продлевает ресурс машины.

У электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением только один недостаток — частый выход из строя якоря. Это связано с тем, что при перегрузках ЭДС не меняется (т.к. она возбуждается иным источником, не задействованным при регулировании оборотов ротора). Оператор может заметить дефекты в работе только когда уже становится поздно (сильный шум, запах перегоревшей изоляции).

Смешанное (комбинированное) возбуждение

У таких машин несколько катушек возбуждения с разным соединением. Электродвигатели сложны и функциональны. Они применяются в условиях, когда требуется бесперебойная работа, а сохранность агрегата вторична.

Например, при штатной работе задействуется обмотка возбуждения, которая параллельно соединена с проводником якоря, и ротор вращается с одной скоростью. А в момент перебоев на генераторе или подстанции подача тока переключается на другую катушку, у которой независимое от якоря возбуждение. Электродвигатели постоянного тока со смешанным возбуждением не встречаются в бытовых устройствах. В зависимости от режима работы по факты такие агрегаты могут иметь классификацию.

Способы эксплуатации

Электрически е DC машины постоянного тока могут работать в прямом и обратном порядке. В результате их можно использовать в качестве генераторов путем преобразования механической силы в электрическую энергию.

Режим электродвигателя

Подаваемый постоянный ток преобразовывается в механическую силу вращения ротора, которую можно использовать в разных целях:

перекачка газообразных и жидких сред;
транспортировка и подъем грузов;
обработка материалов разной прочности.

Электрическая машина постоянного тока находит широкое применение только от одного вращения, но и это не предел ее возможностей. У преобразования линейная зависимость — обороты зависят от напряжения (чем оно выше, тем их больше на единицу времени). Такая зависимость позволяет использовать две опции:

Регулирование скорости вращения. С помощью частотного преобразователя меняется напряжение, а за ним прямо пропорционально растут или падают обороты. Это позволяет использовать оборудование более эффективно (менять напор перекачки, ускорять подъем более легких грузов и т. д.).
Плавный запуск. Пусковой ток подается не сразу базовым напряжением, а с постепенным его увеличением до требуемого значения. Также можно обеспечить плавный переход при переключении скорости вращения. Эта функция значительно сокращает износ машины от резких вращений.

С развитием электроники стало возможным регулировать вращение ротора двигателей постоянного тока под управлением других устройств, делая его работу автономной:

Термостат у котла задает скорость вращения насоса, при которой в трубах будет достигнута нужная температура.
Аварийная система обесточивает агрегат при его перегреве.
Реле давления останавливает перекачку в магистральных трубопроводах при полном резервуаре, и с его опустением снова запустит машину.

Режим генератора

Принцип заключается в реверсивной работе DC электродвигателя. Под действием механической силы ротор начинает вращаться и генерировать электрический заряд на полюсах. Токосъем происходит подключением сетей к щеткам.

Подавляющее большинство двигателей с работой в режиме генератора действуют в электростанциях. Для движения ротора задействуется течение реки или пар. Крупные перерабатывающие заводы могут обеспечивать себя электроэнергией с нулевой себестоимостью. В качестве механической силы для движения ротора используется побочный продукт в виде струи газа.

Также распространено применение компактных мини-электростанций. Они представлены установкой с двигателем внутреннего сгорания и генератора. Ротор приводится в движение сжиганием бензина или ДТ. Мини-электростанции распространены на строительных промышленных объектах в условиях отсутствия электросетей.

На практике в целях продления срока службы генератора ротор ДПТ всегда работает с минимальной нагрузкой. Ток необходимых характеристик получается подключением выпрямителей, резисторов и инверторов.

Универсальный электродвигатель

Если у машины магнитное поле возбуждения и ротор вращаются с одинаковой скоростью (синхронная машина), он устроен так, что возможно питание от постоянного и переменного тока. Дополнительная обмотка возбуждения проходит не по всему статору, а секционно (по образу с ламелями щеточного коллектора). При включении двигателя в цепь с источником постоянного тока питание подается на основную обмотку статора, а когда от переменного — на дополнительную.

Такой подход позволяет коллекторному двигателю постоянного тока работать от общей сети. Он используется в бытовых приборах с высокой производительностью. Вся причина в том, что переменный ток электросети напряжением 230 В и частотой 50 Гц можно преобразовать во вращение ротора с крутящим моментом не более 3000 об. /мин. В обычном режиме оборудование работает от переменного источника питания. Но когда требуется очень высокая скорость вращения механизма, происходит предварительное выпрямление. Ток становится постоянным и после передается на щетки машины.

Достоинства

У электродвигателей постоянного тока много преимуществ, среди которых можно отметить следующее:

Линейная зависимость преобразования энергии. По характеристикам источника можно заранее рассчитать обороты, с которыми движется ротор (и наоборот для генератора). Это обеспечивает плавным пуском и регулировочной скорость вращения электромотора.
Универсальная конструкция. Для любых задач подходит коллекторный двигатель, и наладить производство одного вида машин проще.
Компактность. Синхронные двигатели состоят только из статора и якоря, остальные компоненты незначительны и не почти не влияют на размер агрегата.

Двигатели постоянного тока отлично подходят для предприятий на производстве. Но в быту по ряду качеств они проигрывают основному конкуренту — асинхронным двигателям:

Меньший рабочий ресурс и требовательность к частому обслуживанию с заменой изношенных частей.
Сложная конструкция якорей, не позволяющая отремонтировать или заменить их самому.
Для подключения к общей сети требуется выпрямитель.

По этим причинам в домашних устройствах и бытовых инструментах присутствуют асинхронные двигатели. Их принципиальное отличие в поле возбуждения, которое всегда вращается быстрее ротора. Такие машины устроены так, что работают только от переменного тока.

Типы неисправностей

Двигатели постоянного тока используются для приведения в движение крупногабаритных агрегатов с большой нагрузкой, и где требуется часто менять скорость вращения. Преимущественно это область энергетики и производства с тяжелыми условиями работы, ускоряющими износ мотора. Но даже при бережной эксплуатации возможен выход из строя.

Для двигателей постоянного тока характерны многие поломки, которые можно объединить в 4 типа неисправностей:

Разрушение изоляции и обмотки. При перегреве или коротком замыкании электромотор получает сильный урон. Изоляция разрушается, а уязвимая часть обмотки деформируется под действием внешнего тепла или роста сопротивления материала проводника. Поломке предшествует перегрев и шумная работа. Принципиальное отличие замыкания от перегрева в том, что неполадка на стороне и ее придется устранить после ремонта агрегата.
Отсутствие питания. При наличии постоянного тока полный отказ в работе двигателя указывает на обрыв одной или нескольких обмоток. Зачастую такая ситуация происходит в результате повреждения витков из-за неаккуратного обслуживания. В половине случаев обмотку двигателя можно восстановить без замены.
Постукивания и вибрации. Разбалансировка вала или разрушение подшипников скольжения нарушает синхронную передачу крутящего момента рабочему механизму. В результате происходят многократные толчки между валами, которые еще сильнее вредят электромотору. Возможно механическое разрушение отдельных частей (уцелевших подшипники, ламели коллектора).
Рабочие характеристики не соответствуют настройкам. Отвечающий за подачу постоянного тока на двигатель механизм неисправен. При повреждении катушки частотного преобразователя изменение скорости вращения ротора не будет соответствовать настройкам. При дефектной работе в режиме генератора токосъем не соответствует требуемым параметрам.

При наблюдении любых признаков неисправности необходимо отключить двигатель и передать его в сервис для ремонта. Дальнейшая эксплуатация мотора постоянного тока под нагрузкой причинит ему еще больше урона или нарушит работу оборудования. Восстановление машины необходимо доверить только специалистам. Только профессионалы способны на определение всех неисправностей и смогут устранить их за короткий срок.

Технический центр «Хельд» ремонтирует электрические моторы постоянного тока и устраняет неисправность любой сложности. Мастера восстанавливают обмотку статора и якоря, меняют подшипники скольжения, делают балансировку ротора. Также мы ремонтируем бытовые и промышленные агрегаты с работой от электродвигателя постоянного тока до 1000 кВт: генераторы, станки, компрессоры, насосы.

Если вам требуется срочное и профессиональное восстановление мотора, обратитесь в нашу компанию. Специалисты быстро изучат состояние машины, найдут все неисправности и сообщат условия ремонта.

Принцип действия электродвигателей постоянного тока

Работа электрических машин основана на физических законах электромагнитной индукции и действия электромагнитных сил. Согласно этим законам на проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет действовать сила, стремящаяся вытолкнуть его из магнитного поля.

Для работы любого электродвигателя является необходимым наличие взаимодействия магнитного поля и проводников, по которым проходит ток. Момент электромагнитных сил, приводящий в движение якорь электродвигателя, пропорционален магнитной индукции, длине проводника и проходящему по нему току; направление момента легко определить по правилу левой руки.

На рисунке выше приведена схема, показывающая принцип действия электродвигателя постоянного тока. Два неподвижных полюса магнита 1 создают магнитный поток, направленный от северного полюса N к южному S. В пространстве между полюсами расположена вращающаяся часть двигателя, называемая якорем, с обмоткой из одного витка 2. Концы витка присоединены к переключающему устройству — коллектору 3, выполненному в виде двух полуколец, на которые через щетки 5 подается напряжение от источника постоянного тока 4. При подключении щеток двигателя к источнику тока в витке обмотки, помещенном в магнитное поле, начинает идти ток I. С возникновением тока в витке возникают электромагнитные силы F, стремящиеся повернуть виток относительно оси О_IО. При повороте витка с полукольцами па 90° ток в витке изменит направление на противоположное. Следовательно, при вращении витка ток в проводнике через каждые пол-оборота изменяет свое направление, что позволяет сохранить постоянное направление вращения якоря. Вращающий момент (н • см) можно определить по формуле:

где Р — мощность на валу электродвигателя, вт

n — скорость вращения якоря, об/мин.

Потребляемый электрическим двигателем ток зависит от режима работы. Так, при неподвижном якоре ток, потребляемый электродвигателем, определяется по закону Ома и зависит от напряжения источника тока и суммы сопротивлений обмоток и щеточно-коллекторного перехода:

где U — напряжение источника тока, в;

R — сопротивление двигателя, ом

I — потребляемый электрическим двигателем ток, а.

Этот режим называют режимом короткого замыкания электродвигателя.

Режим короткого замыкания возникает в первый момент включения двигателя, затем ток начинает уменьшаться до некоторой величины, достигая своего наименьшего значения при отсутствии на валу нагрузки. Режим работы электродвигателя, при котором вал не нагружен, называют режимом холостого хода.

Уменьшение потребляемого электродвигателем тока при переходе от режима короткого замыкания к режиму холостого хода объясняется тем, что при вращении якоря в магнитном поле в витках его обмотки наводится э. д.с, направленная против напряжения источника тока, питающего двигатель. Потребляемый электродвигателем ток определяется по формуле:

где Е — э. д. с, наводимая в витках обмотки якоря при его вращении, в.

Электродвигатель постоянного тока легко заставить вращаться в противоположную сторону, для чего обычно достаточно изменить полярность подключения источника тока к обмотке якоря.

На рисунке выше показана схема, обеспечивающая при помощи трехпозиционного тумблера остановку и включение вращения якоря в двух направлениях, то есть реверсирование электродвигателя.

Развитие полупроводниковой техники создало предпосылки для создания двигателей постоянного тока без коллектора и щеток. Функции механического переключателя — коллектора со щетками — выполняют в этом случае транзисторные переключатели. Такой электрический двигатель получил название бесколлекторного двигателя постоянного тока. Бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ перед обычными электродвигателями постоянного тока. Эти преимущества выражаются увеличением времени работы двигателей, повышением их надежности, отсутствием износа щеток, искрения и радиопомех. И хотя бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют несколько большие габариты и массу за счет полупроводникового переключателя, они находят широкое применение в системах автоматики и в качестве основного двигателя — на авто- и судомоделях.

Материал взят из книги «Модельные двигатели» Зуев. В.П

Похожие материалы:

Принцип работы двигателя постоянного тока Важные понятия и советы

Что такое двигатель постоянного тока?

Двигатель постоянного тока (двигатель постоянного тока) определяется как электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Исходя из приведенного выше определения, можно сделать вывод, что двигатель постоянного тока определяется как электродвигатель, работающий на постоянном токе. Двигатель постоянного тока — это электродвигатель, работающий от постоянного тока (DC), в отличие от асинхронного двигателя, работающего от переменного тока.

Он действует по принципу Лоренца, который гласит, что «проводник с током, помещенный в магнитное и электрическое поле, испытывает силу». Эта сила известна как сила Лоренца. Правило левой руки Флеминга определяет направление механической силы.

Принцип действия или принцип работы двигателя постоянного тока

Работа двигателя постоянного тока (DC) основана на том принципе, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует механическая сила. Направление силы определяется правилом левой руки Флеминга, а величина этой силы определяется выражением:

F= BIL Ньютоны

Где B — магнитное поле, I — ток, а L — длина проводника.

Согласно правилу левой руки Флеминга, если расположить большой, указательный и средний пальцы левой руки перпендикулярно друг другу, то большой палец будет указывать в направлении магнитной силы, указательный — в направлении магнитной силы. магнитное поле, а средний палец будет указывать в направлении тока.

Правило левой руки Флеминга

Основная функция работы двигателя

Магниты возбуждаются, что приводит к чередованию северного и южного полюсов.

Токи передаются по проводникам якоря.

Полюса и часть двигателя постоянного тока

Все проводники северного полюса пропускают ток в одном направлении, а все проводники южного полюса пропускают ток в противоположном направлении. Токи переносятся в плоскость бумаги по проводникам якоря под полюсом N (обозначены, как на рисунке). Проводники под S-образным полюсом переносят токи от плоскости бумаги (показаны на рисунке).

На каждый проводник якоря действует механическая сила, потому что он несет ток и находится в магнитном поле. Используя правило левой руки Флеминга, становится ясно, что сила, действующая на каждый проводник, стремится повернуть якорь против часовой стрелки. Все эти силы в совокупности создают движущий момент, заставляющий якорь вращаться.

Простой двигатель постоянного тока

Сечение двигателя постоянного тока

Ток в проводнике меняется на противоположный, когда он движется с одной стороны щетки на другую. В то же время на него влияет следующий полюс, имеющий противоположную полярность. В результате направление силы на проводнике остается постоянным. Следует отметить, что функция коммутатора в двигателе такая же, как у коммутатора в генераторе. Это помогает развивать непрерывный и однонаправленный крутящий момент за счет изменения направления тока в каждом проводнике при переходе от одного полюса к другому.

Применение двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока — это тип двигателя, в котором мы используем постоянный магнит для создания необходимого магнитного поля. As this motor does not need to control the speed, it is used in applications like:

Washer
Automobiles as a starter motor
Personal computer disc drives
Toys
Wheelchairs
Вентиляторы отопителей и кондиционеров.

Принцип работы электродвигателя

Принцип действия электродвигателя заключается в том, что когда катушка помещается в магнитное поле, через нее протекает ток, заставляющий катушку вращаться.

Возьмите два стержневых магнита и выровняйте полюса с небольшим промежутком между ними. Сделайте петлю из проводящего провода небольшой длины. Поддерживайте эту петлю в пространстве между магнитами так, чтобы она оставалась в сфере действия магнитов. Теперь для последней секции соедините концы петли вместе.

Когда вы пропускаете электричество через вашу простую цепь, вы заметите, что ваша петля «двигается». Что вызывает это? Магнитное поле, создаваемое магнитами, взаимодействует с магнитным полем, создаваемым электрическим током, протекающим в проводнике. Поскольку петля стала магнитом, одна ее сторона будет притягиваться к северному полюсу, а другая — к южному. Это заставляет петлю вращаться бесконечно. Это принцип работы электродвигателя.

Работа электродвигателя

Электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Проще говоря, электродвигатель — это устройство, используемое для производства вращательной энергии.

Электродвигатель

Согласно схеме ток поступает в катушку ABCD от щетки X. ABCD представляет собой катушку с током, помещенную в магнитное поле, перпендикулярное ей. Итак, используя правило левой руки Флеминга, мы можем сказать, что AB движется вниз, а CD движется вверх. CD движется к северному полюсу в следующем полуобороте, а AB движется к южному полюсу. Снова используя правило левой руки Флеминга, мы видим, что AB движется вверх, а CD движется вниз. Этот процесс продолжается, и катушка начинает вращаться.

Заключение

Короче говоря, электрический двигатель постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую электрическую энергию в механическую. Поэтому мы обсудили, как работают двигатели постоянного тока и электродвигатели и их применение. Мы изучили принцип работы двигателя постоянного тока и электрического двигателя, а также правила, используемые для определения направления создаваемой силы. В этой статье дается подробное описание электродвигателя постоянного тока, чтобы вы лучше поняли концепцию.

Конкурсные экзамены после 12-го курса естественных наук

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую. Входная мощность двигателя постоянного тока является мощностью постоянного тока. Двигатель постоянного тока работает по принципу закона Лоренца, который гласит, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует сила. Эта сила называется силой Лоренца, и ее направление можно найти по правилу левой руки Флеминга.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Закон электромагнитной индукции Ленца. ..

Пожалуйста, включите JavaScript

Закон электромагнитной индукции Ленца: определение и формула

Двигатель постоянного тока имеет якорь и обмотку возбуждения. Якорь подключен к источнику питания постоянного тока через сегмент коммутатора и угольные щетки. Якорь находится под действием магнитного поля. Магнитное поле создается в двигателе постоянного тока, когда его обмотка возбуждения находится под напряжением постоянного тока.

Одноконтурная конструкция двигателя постоянного тока приведена ниже.

Когда проводник якоря с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила. Направление силы, действующей на проводник, можно определить по правилу левой руки Флеминга.

Согласно правилу левой руки Флеминга, если мы вытянем указательный, средний и большой пальцы левой руки таким образом, чтобы средний палец находился в направлении тока в проводнике, а указательный – вдоль направление магнитного поля, то есть с севера на южный полюс, затем большой палец указывает направление создаваемой механической силы.

Величина силы

Когда бесконечно малый заряд dq течет со скоростью v под действием электрического поля E и магнитного поля B, то сила Лоренца, испытываемая зарядом dq, определяется выражением;

В двигателе постоянного тока направление тока через проводник якоря в любой момент перпендикулярно полю. Ток в левой части катушки равен I, а ток в правой стороне катушки равен -I.