Как устроен двигатель постоянного тока

Конструкция машин постоянного тока

Машины постоянного тока – обратимые. Они могут работать и как генератор и как двигатель. Конструктивно генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково. На рис. 5.1 показан продольный разрез двигателя постоянного тока.

Рис. 5.1 -Общий вид двигателя постоянного тока:

1-коллектор, 2 — щеточный аппарат, 3 – якорь, 4 – главные полюса, 5 – катушка обмотки возбуждения, 6 – станина, 7 и 12 подшипниковые щиты, 8 — вентилятор, 9 – лобовые части обмотки статора, 10 — вал, 11-лапы

Машины постоянного тока состоит из двух основных частей: статора – неподвижной части и подвижной части – ротора. В машинах постоянного тока ротор называется якорем.

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 5.1) являются станина 6 с закрепленными на ней главными 4 и добавочными полюсами, вращающийся якорь 3 с обмоткой возбуждения 5 и коллектором 1 и щеточный аппарат 2. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы 11 для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения; их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации. Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями.

На валу 10 двигателя расположен якорь двигателя. Сердечник якоря представляет собой цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7.

Якорь машины постоянного тока в настоящее время выполняется, как правило, барабанного типа. Он состоит из: сердечника якоря 4, набираемого из листовой электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируются друг от друга лаковой или оксидной пленкой. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которые укладывается обмотка якоря 5. Обмотка выполняется из специальных медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Элементы обмотки тщательно изолируются между собой и от сердечника и закрепляются в пазах при помощи клиньев или бандажей из стальной проволоки. Части обмотки, выступающие с торцов сердечника (лобовые соединения) крепятся бандажами.

Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 1. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 2. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.

Обмотки якорей двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Обмотка якоря присоединяется к коллектору, закрепленному на валу машины. Обычно коллектор выполняется цилиндрического типа, реже торцевого. Продольный разрез цилиндрического коллектора приведен на рис. 5.2.

1 — передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус

Коллектор состоит из коллекторных пластин (ламелей) 2, изолированных друг от друга и от элементов крепления миканитовыми прокладками и манжетами 4. С торцов пластины стягиваются нажимными конусами (фланцами) 5. Благодаря специальному выступу (ласточкину хвосту) пластины сжимаются между собой, образуя жесткую конструкцию. Затем коллектор обтачивается, чтобы его рабочая поверхность была строго цилиндрической.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью служит щеточный аппарат. Обычно он состоит из щеточной траверсы с пальцами и щеткодержателей со щетками. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которой располагается щетка, и нажимной пружины, прижимающей щетку к коллектору. Все одноименные щетки соединяются между собой сборными шинами, которые выводятся на зажимы машины, как концы обмотки якоря. Обмотка якоря впаивается непосредственно в выступающие части коллекторных пластин или при помощи специальных соединительных проводников (петушков), если разница в диаметрах коллектора и якоря велика.

Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.

Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.

На корпусе также расположены табличка с паспортными данными и клеммная коробка.

Клеммы на щитке коробки маркируются: начало и конец обмотки якоря А₁ и А₂; параллельной обмотки возбуждения – Е₁ и Е₂ , обмотки дополнительных полюсов – В₁ и В₂ .

Электрический двигатель постоянного тока, устройство и принцип действия электродвигателей 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.

Электродвигатель постоянного тока

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.

Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока

Конструкция электродвигателя постоянного тока состоит из следующих элементов:
3. корпус электродвигателя, который чаще всего выполняется из чугуна, так как данный материал обеспечивает возможность эксплуатации электродвигателя в местах с агрессивной средой и обладает высоким уровнем устойчивости к износам. Также для улучшения корпус двигателя может изготавливаться со специальными ребрами, которые обеспечивают термический баланс электродвигателя. Полюсы, образующие индуктор, а также якорь, устанавливаются в корпус двигателя.
• вентилятор охлаждения, обеспечивающий поддержание низкой рабочей температуры;

Способы подключения электродвигателя постоянного тока

В кабельный ввод заводим два двухжильных кабеля с жилами серого и синего цветов. Выполняем зачистку кабеля и жил, после чего надеваем на них кабельные наконечники.

Принцип работы коллекторного электродвигателя постоянного тока

При одновременной смене полярности в цепях возбуждения и якоря направление вращения не изменится.

Двигатель постоянного тока

Принцип, используемый в двигателях, является одним из аспектов принципа индукции. Закон гласит, что если заряд движется в магнитном поле, на него действует сила в направлении, перпендикулярном как скорости заряда, так и магнитному полю. Тот же принцип применяется к потоку заряда, тогда это ток и проводник, по которому течет ток. Направление этой силы задается правилом правой руки Флеминга. Простой результат этого явления состоит в том, что если ток течет по проводнику в магнитном поле, проводник перемещается. Все моторы работают по этому принципу.

Подробнее о двигателе постоянного тока

Двигатель постоянного тока питается от источников питания постоянного тока, и используются два типа двигателей постоянного тока. Это щеточный электродвигатель постоянного тока и бесщеточный электродвигатель постоянного тока.

В щеточных двигателях щетки используются для поддержания электрического соединения с обмоткой ротора, а внутренняя коммутация изменяет полярность электромагнита, чтобы поддерживать вращательное движение. В двигателях постоянного тока в качестве статоров используются постоянные или электромагниты. Все катушки ротора соединены последовательно, и каждый переход соединен с стержнем коммутатора, и каждая катушка под полюсами способствует созданию крутящего момента.

В небольших двигателях постоянного тока количество обмоток невелико, а в качестве статора используются два постоянных магнита. Когда требуется более высокий крутящий момент, количество обмоток и сила магнита увеличиваются.

Второй тип — это бесщеточные двигатели, которые имеют постоянные магниты, поскольку ротор и электромагниты расположены в роторе. Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) имеет много преимуществ по сравнению с щеточным двигателем постоянного тока, такие как лучшая надежность, более длительный срок службы (отсутствие эрозии щеток и коллектора), больший крутящий момент на ватт (повышенная эффективность) и больший крутящий момент на вес, общее снижение электромагнитных помех (EMI) , а также снижение шума и устранение ионизирующих искр от коллектора. Транзистор высокой мощности заряжается и приводит в движение электромагниты. Эти типы двигателей обычно используются в охлаждающих вентиляторах компьютеров.

Подробнее о шаговом двигателе

Шаговый двигатель (или шаговый двигатель) — это бесщеточный электродвигатель постоянного тока, в котором полное вращение ротора разделено на ряд равных шагов. Затем положение двигателя можно контролировать, удерживая ротор на одном из этих этапов. Без какого-либо датчика обратной связи (контроллер с разомкнутым контуром) он не имеет обратной связи как серводвигатель.

Шаговые двигатели имеют несколько выступающих электромагнитов, расположенных вокруг куска железа в форме центральной шестерни. Электромагниты получают питание от внешней цепи управления, например микроконтроллера. Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала на один из электромагнитов подается мощность, которая заставляет зубья шестерни магнитно притягиваться к зубцам электромагнита и вращается в это положение. Когда зубья шестерни совмещены с первым электромагнитом, зубья смещены относительно следующего электромагнита на небольшой угол.

Для перемещения ротора включается следующий электромагнит, выключая остальные. Этот процесс повторяется для непрерывного вращения. Каждый из этих небольших поворотов называется «шагом». Целое число из нескольких шагов завершает цикл. Используя эти шаги для поворота двигателя, можно управлять двигателем для получения точного угла. Есть четыре основных типа шаговых двигателей; Шаговый двигатель с постоянным магнитом, гибридный синхронный шаговый двигатель, шаговый двигатель с переменным сопротивлением и шаговый двигатель типа Лаве

Шаговые двигатели используются в системах позиционирования с контролем движения.

Двигатель постоянного тока против шагового двигателя

• Двигатели постоянного тока используют источники питания постоянного тока и делятся на два основных класса; щеточный и бесщеточный двигатель постоянного тока, тогда как шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока с особыми характеристиками.

• Обычный двигатель постоянного тока (за исключением подключенных к сервомеханизмам) не может управлять положением ротора, в то время как шаговый двигатель может управлять положением ротора.

• Шагами шагового двигателя необходимо управлять с помощью устройства управления, такого как микроконтроллер, в то время как обычные двигатели постоянного тока не требуют таких внешних входов для работы.

Разновидности ДПТ

Двигатели ПТ делят на четыре группы:

Коллекторные. Их классифицируют по подтипам:
1. С одним коллектором и четным числом намоток;
2. С парой коллекторов и двумя обмотками;
3. С тремя коллекторами и таким же числом намоток;
4. С четырьмя коллекторами и двумя намотками;
5. С четырьмя коллекторами и таким же числом обмоток на якоре;
6. С восемью коллекторами и безрамочным якорем.
Это тип электродвигателя, описанный выше. Его преимущества – отличный запуск, нет затруднений в реверсировании и регулировании частоты вращения мотора. К достоинству также относят простое устройство и легкое управление. Недостаток только один – уж очень быстро изнашивается коллектор. А это не самый дешевый элемент двигателя.
1. Инверторные.
Инверторный ДПТ имеет те же преимущества, что и коллекторный. Отличие состоит лишь в том, что переключение производится электронным путем за счет передачи информации датчиком положения ротора. Поэтому мотор обретает дополнительное достоинство – отсутствие изнашиваемых элементов, что делает двигатель более экономичным.
1. Униполярный ДПТ.
В основе принципа действия такого двигателя – все то же влияние магнитного поля на проводник с током. Но в поле помещается не проволочная намотка, а диск на оси. Ток подается так: один контакт соединен с осью диска, а другой – с его краем.
1. Универсальный коллекторный ДПТ.
Устройство и принцип действия аналогичен коллекторному электродвигателю постоянного тока. Отличие содержится в том, что питать якорную намотку можно от источника, как постоянного тока, так и переменного. В сетях электроток имеет частоту 50 Гц. Значит, 50 раз в секунду токодвижение производится в одну сторону, и 50 раз – в другую. Казалось бы, якорь в таком случае с такой же частотой должен вращаться то в одну, то в другую сторону. Но этого не происходит, потому что общая цепь мотора соединена последовательно. И если меняется ток в якоре, то и в статоре тоже. Поэтому направление вращения вала сохраняется.

Такие двигатели часто применяются для работы электрических строительных и бытовых. Они обладают тем же преимуществами и недостатками, что и коллекторные ДПТ. Но добавлено по одному плюсу и минусу. В защиту – мотор можно использовать при питании от постоянного и переменного электрического источника (простые коллекторные только от постоянного). В минус – КПД ниже.

Сегодня на практике используется большое многообразие электродвигателей постоянного тока. Их устройство может незначительно отличаться друг от друга. Но чего у ДПТ не отнять, так это то, что они всегда работают на взаимодействии двух магнитных полей: ротора и статора. А благодаря возможности изменения конструкции такие моторы можно приспособить практически для любых нужд.

Виды двигателей постоянного тока

К концу 19 века уже началась эксплуатация электрических машин постоянного тока: генераторов и моторов. Причем оба вида не отличаются конструктивно и могли применяться как для выработки электроэнергии, так и для производства работ.

Коллекторный мотор

Принцип вращения рамки с током в поле постоянного магнита наиболее ярко реализован в коллекторных электродвигателях. Такие электродвигатели работают как от постоянного, так и от переменного тока. Впервые судно с двигателем постоянного тока запустил Б.С. Якоби по реке Неве в 1838г.

Такой двигатель состоит из неподвижной части (статор), на которой устанавливаются магниты для маломощных двигателей или катушки из ферримагнитных сталей, и обмотки с медным проводом для мощных электрических машин.

Якорь МПТ собран из пластин электротехнической стали, изолированных от вала и друг от друга для уменьшения вихревых токов. В пазы цилиндра укладывается витки провода из меди разного сечения в зависимости от токов и выбранной схемы (петлевая, волновая). Концы проводов выводятся и ввариваются (впаиваются) в ламели коллектора.

Коллектор состоит из медных изолированных пластин (ламелей) закрепленных по окружности, изолированных друг от друга и корпуса якоря. По ним перемещаются притертые подпружиненные щетки, закрепленные в щеткодержателе, для последовательной подачи тока в обмотки якоря. При подаче напряжения на щетки, якорь начинает вращаться и двигатель постоянного тока выходит в заданный режим.

Универсальный коллекторный мотор

Дальнейшее развитие коллекторных ДПТ позволило использовать их при работе от источников переменного тока. Для этого шихтуется не только якорь, но и цилиндр статора набирается из пластин электротехнической стали, а обмотки возбуждения соединяются последовательно с якорными. Одновременная смена полярности на них при прохождении переменного тока не меняет направление вращения вала двигателей.

Основное отличие — шихтованные статор и якорь делают магнитный поток стабильным и не создают вихревых токов (меньше греются). В остальном универсальный двигатель мало чем отличается от обычного коллекторного.

Вентильно-индукторные двигатели

Такие электромоторы иногда называются бесщёточными или безколлекторными. Суть такой конструкции в том, что ротор имеет зубчатое строение, собранное из постоянных магнитов, а обмотки возбуждения размещаются на зубчатых полюсах статора.

Переключением полюсов (катушек) занимается встроенный контроллер, за обратную связь, контролирующую положение якоря (ротора), отвечает датчик Холла. При включении пары катушек магнит на роторе движется к ней, затем следующая пара получает питание. Скорость вращения определяется частотой переключения катушек — чем выше частота, тем выше скорость.

Недостатком такой конструкции является пульсирующий крутящий момент. Плюсы: нет коллектора и щеток, простая конструкция, хорошее управление скоростью и малые габариты.

Безколлекторный с независимым возбуждением

Конструкция ротора этого двигателя собрана из двух зубчатых пакетов из магнитной стали на общей оси. Вершины зубцов пакета смещены друг относительно друга на 120°. Пакеты отстоят друг от друга на расстоянии, а зубцы одного совпадают с впадинами другого, таким образом, что суммарный магнитный поток ротора равен нулю.

Размещенная на статоре обмотка возбуждения тоже распределена со смещением в 120°. Собранный из электротехнической стали статор имеет размер такой, чтобы его магнитное поле перекрывало оба пакета магнитов ротора.

Поочередное включение катушек ротора создает магнитное поле в обоих магнитных блоках и ротор начинает плавно вращаться. Изменяя частоту и направление переключения секций обмотки возбуждения, а также силу тока в них, можно получить бесконтактный реверс, линейный крутящий момент и плавное изменение скорости.

Кроме этих достоинств есть еще отсутствие магнитов и графитовых щеток с коллектором. К недостаткам можно отнести сложность конструкции двигателей и питание обмоток от электронного преобразователя.

Несомненными достоинствами двигателей постоянного тока можно отнести:
- уровень плавного регулирования скорости достигает 10000 об/мин;
- легкость управления скоростью за счет напряжения, а крутящего момента — током якоря;
- за счет обратной связи можно поддерживать хороший момент на малых оборотах.
Их недостатков можно отметить обязательное наличие преобразователя переменного тока в постоянный и сложность конструкции некоторых видов двигателей (коллектор со щетками, сложный якорь).

Область применения

Несмотря на то, что себестоимость этого типа двигателя намного дороже асинхронных машин, их особенности могут сыграть решающую роль в узкоцелевом специальном назначении.

С помощью таких двигателей приводятся в работу прокатные станы, они используются для привода гребного винта на кораблях, а также для транспортных средств, имеющих систему питания на постоянном токе.

Поэтому их область использования характерна для нужд там, где необходима электрическая тяга, это: тепловозы, электровозы, электропоезда, городской транспорт, то есть там, где необходимо применить мягкие механические характеристики и широкие пределы регулировки количества оборотов вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Общие сведения и устройство прибора

Контроллеры электродвигателей такого типа зачастую питаются благодаря постоянному напряжению, отчего и получили своё название. В англоязычной технической литературе вентильный электродвигатель называют PMSM или BLDC.

Бесколлекторный электродвигатель был создан в первую очередь для оптимизации любого электродвигателя постоянного тока в целом. К исполнительному механизму такого устройства (особенно к высокооборотному микроприводу с точным позиционированием) ставились очень высокие требования.

Это, пожалуй, и обусловило использование таких специфических приборов постоянного тока, бесколлекторные трёхфазные двигатели, также называемые БДПТ. По своей конструкции они практически идентичны синхронным двигателям переменного тока, где вращение магнитного ротора происходит в обычном шихтованном статоре при наличии трёхфазных обмоток, а количество оборотов зависит напряжения и нагрузок статора. Исходя из определённых координат ротора, происходит переключение разных обмоток статора.

обмотки статора выполняют функцию фиксирующего элемента

Если одна из обмоток будет выключена, то будет измеряться и в дальнейшем обрабатываться тот сигнал, который был наведён, однако, такой принцип работы невозможен без профессора обработки сигналов. А вот для реверса или торможения такого электродвигателя мостовая схема не нужна – достаточно будет подачи в обратной последовательности управляющих импульсов на обмотки статора.

В ВД (вентильном двигателе) индуктор в виде постоянного магнита расположен на роторе, а якорная обмотка – на статоре. Исходя из положения ротора, формируется напряжение питания всех обмоток электродвигателя. При использовании в таких конструкциях коллектора, его функцию будет выполнять в вентильном двигателе полупроводниковый коммутатор.

Основное отличие синхронного и вентильного двигателей заключается в самосинхронизации последнего при помощи ДПР, что обусловливает пропорциональную частоту вращения ротора и поля.

Чаще всего бесколлекторный электродвигатель постоянного тока находит применение в следующих сферах:
- морозильное или холодильное оборудование (компрессоры);
- электропривод;
- системы нагрева воздуха, его кондиционирования или вентиляции.
Статор

Это устройство имеет классическую конструкцию и напоминает такой же прибор асинхронной машины. В состав входит сердечник из медной обмотки (уложенной по периметру в пазы), определяющей количество фаз, и корпус. Обычно синусной и косинусной фаз достаточно для вращения и самозапуска, однако, часто вентильный двигатель создают трёхфазным и даже четырёхфазным.

Электродвигатели с обратной электродвижущей силой по типу укладки витков на обмотке статора делятся на два типа:
- синусоидальной формы;
- трапецеидальной формы.
В соответствующих видах двигателя электрический фазный ток меняется также по способу питания синусоидально или трапецеидально.

Ротор

Самыми распространёнными и дешёвыми для изготовления ротора считаются ферритовые магниты, но их недостатком является низкий уровень магнитной индукции, поэтому на замену такому материалу сейчас приходят приборы, созданные из сплавов различных редкоземельных элементов, поскольку могут предоставить высокий уровень магнитной индукции, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора обеспечивает обратную связь. По принципу работы устройство делится на такие подвиды:
- индуктивный;
- фотоэлектрический;
- датчик с эффектом Холла.
Последний тип получил наибольшую популярность благодаря своим практически абсолютным безынерционным свойствам и способности избавляться по положению ротора от запаздывания в каналах обратной связи.

Система управления

Система управления состоит из силовых ключей, иногда также из тиристоров или силовых транзисторов, включающих изолированный затвор, ведущих к сбору инвертора тока либо инвертора напряжения. Процесс управления этими ключами реализуется чаще всего путём использования микроконтроллера, требующего для управления двигателем огромного количества вычислительных операций.

Техническая версия происхождения названия

По поводу происхождения этого термина, существует две версии, каждая из которых вполне правдоподобна. Согласно первой, наиболее распространенной, брно – аббревиатура, расшифровывающаяся как «блок расключения (или распределения) начал обмоток». Такая расшифровка выглядит вполне приемлемой, так как термином «брно двигателя», обозначается клеммная коробка, установленная на его корпусе, и в ней действительно соединяются определенным образом (расключаются) выводы концов обмоток электродвигателя.

Возможно, что причиной появления столь странного для русского языка названия, стало чрезмерное увлечение аббревиатурами в 20 30 х годах, когда и происходила «электрификация всей страны». Название «ГОЭЛРО», кстати, тоже аббревиатура – «Государственный план электрификации России».

Режимы работы эл. двигателей

Используя уже известный нам график для характеристик, но расширив его на четыре квадранта, можно оценить существующие режимы работы оборудования.

Нумерация квадрантов происходит против часовой стрелки, начиная с правого верхнего, в котором координаты по обеим осям идут со знаком «+». Как видно из графика, в первом и третьем квадрантах наблюдается двигательный режим, для которого мощность Р = М·ω >, 0. В двух других квадрантах реализуется режим генератора или тормозной, имеющий отрицательное значение мощности.

Как видим, график образует несколько характерных точек и зон, ответственных за отдельные режимы:
- Холостой ход. Образуется в точке ωо. В этом случае ток и момент равны нулю, а сам эл. двигатель не получает энергии,
- Генератор при параллельном подключении. Называется еще тормозным с рекуперацией в сеть. Реализуется при ω >, ωо и E >, U. Эл. двигатель получает механическую энергию от работающего оборудования, а в сеть взамен отдается электрическая (генератор тока),
- Короткое замыкание. В этом случае ω = 0 и Е = 0. Механическая энергия от вращения вала не отдается, а электрическая превращается в тепловую,
- Генератор при последовательном соединении. Этот режим еще называется торможением с противовключением. При этом ω <, 0, а ток и ЭДС имеют одинаковое направление. Выработка электричества происходит за счет вращения оборудования, совмещенного с валом ротора,
- Автономный генератор. Режим динамического торможения предполагает выработку электричества за счет одной лишь механической энергии вращения вала от привода, без участия сети.
Технические и энергетические параметры функционирования двигателей постоянного тока позволяют с большой эффективностью использовать их в разных сферах, от машиностроения до легкой промышленности и даже игрушек. Они могут действовать в чисто двигательном или режиме генератора (тормозном), используя различные коэффициенты.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

При наличии всего двух основных полюсов ток получится пульсирующим. Увеличение числа полюсов приводит к сглаживанию пульсаций.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:
1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.
Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:
- простота и широкий диапазон регулировки;
- жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).
Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:
- искрение;
- засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
- появление помех в сети;
- при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.
В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:
1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.
Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Виды электромеханических устройств

Используют ротор в таких электромеханических устройствах, как двигатели, работающие на постоянном и переменном электрическом токе, генераторы.

Агрегаты, работающие на переменном токе

К таким агрегатам относятся различные электродвигатели. Наиболее распространенная модель данного устройства состоит из следующих частей:
- Алюминиевый или чугунный ребристый корпус с монтажной коробкой для подключения обмоток статора и ротора;
- Статор – неподвижная часть в виде полого цилиндра, расположенная внутри корпуса. Обмотка статора состоит из 3 пар расположенных друг напротив друга намотанных в пазы корпуса катушек из медного изолированного провода
- Цельнометаллический цилиндрический ротор с валом и пазами, в которые впаяны обладающие высокой токопроводящей способностью алюминиевые стержни.
Двигатель, запитываемый от переменного тока

Вращается ротор на двух опорных подшипниках, запрессованных на его валу. Охлаждение работающего на больших оборотах электродвигателя происходит, благодаря крыльчатке – небольшому вентилятору, состоящему из множества лопастей и расположенному на одном из концов вала ротора. Также эффективному охлаждению работающего агрегата способствует ребристая структура алюминиевого корпуса.

Принцип работы подобного двигателя заключается в следующем:
1. При подключении тока к агрегату он попеременно проходит через одну из трех пар катушек статора.
2. При протекании по парам статорных катушек электрического тока они создают магнитное поле, силовые линии которого пересекают ротор.
3. Попеременно запитываемые пары катушек создают подвижное магнитное поле, которое по закону электромагнитной индукции провоцирует появление в неподвижных металлических стержнях ротора электрического тока.
4. Индуцированный ток в роторе приводит к появлению силы, выталкивающей его из магнитного поля статора. Так как частота подачи тока на катушки статора в среднем составляет порядка 30 импульсов в секунду, появившаяся в роторе выталкивающая сила приводит к его вращению с большой скоростью.
Важно! В зависимости от одновременности вращения ротора и порождающего это движение магнитного поля электрический двигатель переменного тока может быть синхронный (ротор агрегата вращается синхронно с магнитным полем статора) и асинхронный (вращение якоря не синхронизировано с движением магнитного поля статора). Первый вид отличается высокой мощностью и надежностью, в то время как второй характеризуется большим разнообразием конструкций и областей применения

Машины постоянного тока

Наиболее распространенный электродвигатель постоянного тока щеточного вида представляет собой электрический агрегат, состоящий из:
- Чугунного корпуса с ребрами охлаждения и специальным монтажным коробом для подключения обмоток агрегата;
- Вала из прочной инструментальной стали с двумя подшипниками;
- Якоря, состоящего из сердечника (набора пластин из специальной электротехнической стали), якорной обмотки (размещенных в пазах сердечника катушек из медного провода);
- Индуктора, состоящего из полюсов возбуждения с намотанными на них катушками из медного провода;
- Коллектора – расположенных на валу медных пластин, к которым подключаются выводы катушек якорной обмотки;
- Подпружиненных графитовых или металлографитовых щеток (щеточной группы).
Охлаждается такой двигатель, как и аналог, работающий от переменного тока, – расположенной на валу крыльчаткой.

Двигатель, работающий от постоянного тока

Важно! В отличие от электродвигателя переменного тока частотой вращения ротора в таком силовом агрегате управляет специальный блок, который при помощи установленного на валу датчика Холла определяет положение ротора и его скорость. Работает подобный агрегат следующим образом:. Работает подобный агрегат следующим образом:

Работает подобный агрегат следующим образом:
1. На обмотку возбуждения подается напряжение, создавая тем самым постоянное магнитное поле;
2. Через щетки и коллектор напряжение подается на катушки сердечника якоря – возникающее при этом магнитное поле отталкивается от такого же, образованного индуктором, вследствие чего двигатель начинает вращаться («запускается»);
3. Впоследствии при вращении через щетки запитываются остальные катушки якорной обмотки, что приводит к равномерному вращению якоря с определённой скоростью.
Останавливают вращение такого агрегата прекращением подачи напряжения на щеточную группу.

Помимо описанных выше электромоторов, к машинам, работающим на постоянном токе, относится также роторный стартер – устройство, необходимое для запуска бензиновых и дизельных автомобильных двигателей внутреннего сгорания.
Похожие публикации: