Принцип работы
На провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:
F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.
Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами.
Схематически принцип работы изображён на рис. 6.
Рис. 6. Принцип работы ДПТ
Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.
Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота.
Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.
Разновидности
Коллекторный электродвигатель постоянного тока
Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:
- трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
- коллекторный узел из 2-х щёток, контактируемые с 3-мя медными пластинами;
- двухполюсной статор из постоянных магнитов.
Применяются, в основном, в детских игрушках, плейерах, фенах, электробритвах, аккумуляторных отвёртках и т.п. (рабочее напряжение 3-9 вольт).
Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют:
- многополюсный ротор на подшипниках качения;
- коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
- четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.
Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.
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.
Работа электродвигателя постоянного тока
Под токосъемником простейшего двигателя две секции. Выродился барабан коллектора. Каждая контактная ламель (пластинка на валу) занимает половину оборота. Одна щетка снабжается положительным потенциалом, вторая – отрицательным, сообразно меняется направление магнитного поля полюсов. Активными в каждый момент времени являются два (в описанной выше конструкции). Статора может формироваться постоянным электрическим полем, либо металлическим магнитом. Последнее применяется детскими машинками.
Как работает электродвигатель постоянного тока. Допустим, в начальный момент времени обмотки расположены так, как показано на рисунке. В нашем примере полюсов уже не два, как обсуждали выше, – три. Минимальное число для стабильного запуска электрического двигателя постоянного тока в нужном направлении. Обмотки соединены схемой звезды, у каждой пары одна общая точка. Напряженность поля формирует два полюса отрицательных, один положительный. Постоянный магнит стоит, как показано рисунком.
Упрощенный рисунок случая постоянного тока
Каждую треть оборота происходит перераспределение поля так, что полюса сдвигаются согласно изменению напряжения питания на ламелях. На второй эпюре видим: номера обмоток сдвинулись, картина в пространстве осталась. Залог стабильности: один полюс притягивается к постоянному магниту, второй отталкивается. Если нужно получить реверс, меняется полярность подключения батарейки (аккумулятора). В результате получается два положительных полюса, один отрицательный. Вал станет двигаться против часовой стрелки.
Полагаем, принцип действия электродвигателя постоянного тока теперь понятен. Добавим, сегодня распространены двигатели вентильного типа. Многие задумались заставить поля чередоваться на статоре, ротор представлял бы постоянный магнит. В первом приближении двигатель вентильного типа. Постоянный ток подается на нужные обмотки статора через коммутируемые ключи-тиристоры. В результате создается нужное распределение поля.
Преимущества схемы в снижении количества трущихся частей, являющихся причиной необходимости обслуживания, ремонта. Тиристорный блок управления достаточно сложный. Допускается организовать коммутацию при помощи ламелей. Одновременно конструкция послужит грубым датчиком положения вала (плюс минус расстояние между контактными площадками оси вала). Вентильные двигатели не новы. Широко применяются специфическими отраслями. Помогают точно выдержать частоту вращения. В быту вентильные двигатели найти сложно. Некое подобие можно лицезреть в стиральной машине. Речь о помпе слива воды (ротор магнитный, только ток переменный).
Технические характеристики электродвигателей постоянного тока лучше, нежели при питании переменным током. Класс устройств широко применяется. Чаще электродвигатели постоянного тока используются при питании батареями различного рода. Когда нет выбора. Преимущества схемы питания позволят аккумуляторам дольше продержаться.
Обмотки статора, ротора включают последовательно, параллельно. Последнее применяется при нагруженном в исходном состоянии валу. Наблюдается резкое повышение оборотов, может привести к негативным последствиям, если ротор слишком легко идет. Упоминали о подобных тонкостях в теме конструирования двигателей своими руками.
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Наиболее очевидный способ управления оборотами электродвигателя постоянного тока – это изменение тока в его обмотках и, следовательно, магнитного потока. Изначально в цепь питания ротора включался мощный реостат, однако этот способ управления имел явные недостатки:
Сложность автоматического поддержания оборотов.
Движок реостата приводился либо вручную, либо присоединялся к центробежному регулятору. В любом случае резкое увеличение нагрузки не могло быть быстро скомпенсировано.
Высокие потери мощности.
На мощных электродвигателях реостат значительно нагревался, снижая КПД двигательной установки и требуя введения дополнительного охлаждения.
Применение линейного стабилизатора для управления электродвигателем – это, по сути, замена механического реостата электронным: изменяя мощность, рассеиваемую линейным стабилизатором, изменяют ток в обмотках электродвигателя.
Главное преимущество такой схемы – возможность создания устройств для поддержания оборотов с высокой скоростью реакции. Как известно, при вращении коллектора возникают броски тока в момент подключения очередной секции обмотки ротора.
Частота этих импульсов строго пропорциональна оборотам двигателя, что широко используется в устройствах правления коллекторными двигателями. Например, автомобильный доводчик стеклоподъемников автоматически отключает питание мотора, перестав фиксировать пульсацию тока в цепи питания стеклоподъемника (обнаружение момента остановки электродвигателя).
Совершенствование силовой электроники и в частности создание ключей с низким собственным падением напряжения в открытом состоянии (IGBT, MOSFET) позволило создать системы электронного управления широтно-импульсной модуляцией. Суть широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ) состоит в изменении длительности импульсов тока при сохранении их постоянной частоты.
Такой метод регулировки имеет значительно больший КПД, так как отсутствует элемент, на котором рассеивается излишняя мощность, как это было бы в случае использования реостата или линейного стабилизатора напряжения.
Основной проблемой схем с широтно-импульсной является индуктивность обмоток электродвигателя. Она делает невозможным моментальное нарастание и падение тока, искажая форму прямоугольного сигнала, подаваемого на электродвигатель. В свою очередь, при неправильном проектировании силового каскада ШИМ-контроллера это способно привести к перегреву силовых ключей и резкому падению КПД.
Конструкция двигателя
Двигатель, как и любая другая машина этого типа, содержит в своей конструкции статор, являющегося неподвижным элементом, и ротор (якорь) – вращающийся элемент машины, между ними находится воздушный зазор. В якоре двигателя происходит индуцирование ЭДС. Создание основного магнитного поля происходит при помощи главных полюсов, состоящих из сердечников и катушек возбуждения.
Равномерное распределение полученной магнитной индукции в области воздушного зазора обеспечивается полюсными наконечниками.
Чередование полярности полюсов во время движения электрического тока достигается за счет соединения катушек главных полюсов в обмотку возбуждения. Для улучшения коммутации предусмотрены добавочные полюса.
Уменьшение вихревых токов, которые появляются в результате перемагничивания якоря в процессе его вращения в созданном магнитном поле, происходит за счет конструкции сердечника, исполненного из пластин электротехнической стали, для большего эффекта он покрывается специальным лаком.
Контакт внешней цепи машины с коллектором осуществляется за счет щеток, основным материалом для них является графит.
Основные параметры электродвигателя постоянного тока
Постоянная момента
Для коллекторного электродвигателя постоянного тока определяется по формуле:
,
- где Z — суммарное число проводников,
- Ф – магнитный поток, Вб
Т.Кенио, С.Нагамори. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ.-М.: Энергоатомиздат, 1989.
ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
М.М.Кацман. Электрические машины и электропривод автоматических устройств: Учебник для электротехнических специальностей техникумов.- М.: Высш. шк., 1987.
Л.М.Пиотровский. Электрические машины. Учебник для учащихся электромашиностроительных, энергетических и электротехнических техникумов.-Л.: Энергия, 1972.
Microchip. Brushed DC motor basics.
Универсальные коллекторные двигатели
Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).
Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения
По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:
- Схема возбуждения всегда последовательная.
- Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
- Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.
Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.
Достоинства и недостатки
Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:
- Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
- Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
- Создают радиопомехи.
- Повышенный уровень шума при работе.
Во многих моделях строительной техники
Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.
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:
- при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
- 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;
- по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
- 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:
- 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;
- 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.
Бесщеточный шуруповерт Макита: японский лидер
Модели LXDT06, LXDT08 DF332DWAX1 являются настоящей гордостью японской компании. Но обо всем по порядку.
LXDT06 открывает рейтинг устройств страны восходящего солнца. Агрегат с 18-вольтным мотором характеризуется наличием переключателя скоростных режимов, а также трех ступеней мощности и системы под названием Quick Shift, которая позволяет максимально быстро осуществлять корректировку скорости вращения.
Модели бесщеточных шуруповертов LXDT06, LXDT08 DF332DWAX1 являются гордостью японской компании Макита
Таким образом, можно начинать работу с повышенной скорости, поскольку пользоваться другим режимом просто нет смысла. Благодаря снижению скорости в конце существенно уменьшается вероятность повреждения головки шурупа, биты либо детали, которая подлежит обработке.
По характеристикам модель LXDT06 превосходит все существующие бесщеточные ударные шуруповерты. Ее преимуществом перед лучшими моделями конкурирующих компаний считается меньшая длина. Кроме того, устройство наделено встроенным фонарем, который отлично освещает зону работы. Он располагается таким образом, что тень, которую отбрасывает инструмент, совершенно незначительна. Это существенно повышает комфорт и удобство во время выполнения работ.
Говоря о LXDT06, стоит отметить, что прибору свойственна эргономичность и компактность, за счет чего он отлично располагается в руке. Несмотря на то что его аккумулятор не на много больше, чем у аналогов других компаний, он может похвастаться более высокой мощностью, а значит, более продолжительным временем автономного функционирования.
Безщеточный шуруповерт DF332DWAX1 – это компактный и довольно мощный инструмент
Если у кого-то возникают сомнения относительно того, что лучше – щеточный или бесщеточный шуруповерт, модель LXDT06 непременно их развеет. Ударный агрегат характеризуется высокой мощностью и одновременно компактностью. Здесь нет особенных новшеств, но они вовсе не нужны. Характеристики этого устройства порадуют даже профессионалов, не говоря уже о любителях, которым с избытком хватит мощности, которой располагает данный прибор.
Компактный и одновременно довольно мощный – так можно охарактеризовать модель DF332DWAX1. Безщеточный шуруповерт, представленный японской компанией, является отличным решением для выполнения сверления деревянных поверхностей и металла. Не слишком высокое напряжение с лихвой компенсировано высочайшей эффективностью представленной модели.
Двигатель агрегата произведен в соответствии с бесщеточной технологией, которая является гарантией мощности, удобства в обслуживании и компактности. Представленное устройство комплектуется двумя аккумуляторами, которые защищены от перегрузки и оснащены вмонтированным индикатором, отображающим разряд.
На основании вышеописанных характеристик можно смело утверждать, что японская компания не намерена сдавать позиции на рынке инструментов с бесщеточными моторами. Именно она начала их внедрение, после чего первой предложила пользователям системы регулировки скоростей, а на данный момент демонстрирует механизм автоматического снижения скорости.
Модель LXDT06 считается лучшей среди бесщеточных ударных шуруповертов
Высокомощный, качественный и легкий в применении – все это о бесщеточном шуруповерте Makita. Такой инструмент превратит выполнение рутинных строительных задач в более простой и эффективный процесс.
Точно определившись, что лучше – ударный или безударный шуруповерт, можно приступать к процессу покупки
При этом следует обратить особое внимание на дополнительные функции, предлагаемые производителем. Лучше делать выбор в пользу инструмента, который предполагает возможность регулирования не только скорости вращения, но и его направления
Помимо оптимального соотношения цены-качества шуруповертов, важное значение имеют такие их опции, как подсветка, индикатор, который оповещает относительно уровня заряда, а также ряд других полезных функций, благодаря которым эксплуатация становится максимально комфортной. А уж в случае присутствия второго аккумулятора, кейса для удобной транспортировки, зарядки и комплекта оснастки такой агрегат непременно достоин внимания пользователей
Формула мощности трехфазного двигателя
Для того чтобы определить мощность двигателя, формула выглядит так:
P=√3*U*I*cosϕ*η.
Составляющие формулы:
- Uн – номинальное напряжение;
- Iн – номинальный ток электромотора (по паспорту);
- Cosϕ – коэффициент мощности (0,75-0,9);
- η – КПД (0,7-0,85).
Если величина Iн неизвестна, ее нужно найти, применив соответствующую формулу.
Асинхронные двигатели, используемые для трёхфазной сети, – наиболее стабильные и надёжные машины. Однако частотный предел переменного тока 50 Гц не позволяет им развивать скорость вращения более 3000 об./мин. Поэтому универсальные коллекторные ДПТ – эффективный выход для механических процессов, требующих от мотора способности вращать вал с более высокой частотой.
Производители электродвигателей
Российские производители электродвигателей
| Регион | Производитель | Асинхронный двигатель | Синхронный двигатель | УД | КДПТ | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| СДОВ | СДПМ, серво | СРД, СГД | Шаговый | |||||||
| Краснодарский край | Армавирский электротехнический завод | |||||||||
| Свердловская область | Баранчинский электромеханический завод | |||||||||
| Владимир | Владимирский электромоторный завод | |||||||||
| Санкт-Петербург | ВНИТИ ЭМ | |||||||||
| Москва | ЗВИМосковский электромеханический завод имени Владимира Ильича | |||||||||
| Пермь | ИОЛЛА | |||||||||
| Республика Марий Эл | Красногорский завод «Электродвигатель» | |||||||||
| Воронеж | МЭЛ | |||||||||
| Новочеркасск | Новочеркасский электровозостроительный завод | |||||||||
| Санкт-Петербург | НПО «Электрические машины» | |||||||||
| Томская область | НПО Сибэлектромотор | |||||||||
| Новосибирск | НПО Элсиб | |||||||||
| Удмуртская республика | Сарапульский электрогенераторный завод | |||||||||
| Киров | Электромашиностроительный завод Лепсе | |||||||||
| Санкт-Петербург | Ленинградский электромашиностроительный завод | |||||||||
| Псков | Псковский электромашиностроительный завод | |||||||||
| Ярославль | Ярославский электромашиностроительный завод |
Аббревиатура:
- АДКР —
- АДФР —
- СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения
- СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
- СРД — синхронный реактивный двигатель
- СГД — синхронный гистерезисный двигатель
- УД — универсальный двигатель
- КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
- КДПТ ОВ —
- КДПТ ПМ —
Производители электродвигателей ближнего зарубежья
| Страна | Производитель | Асинхронный двигатель | Синхронный двигатель | УД | КДПТ | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| СДОВ | СДПМ, серво | СРД, СГД | Шаговый | |||||||
| Беларусь | Могилевский завод «Электродвигатель» | |||||||||
| Беларусь | Полесьеэлектромаш | |||||||||
| Украина | Харьковский электротехнический завод «Укрэлектромаш» | |||||||||
| Молдова | Электромаш | |||||||||
| Украина | Электромашина | |||||||||
| Украина | Электромотор | |||||||||
| Украина | Электротяжмаш |
Производители электродвигателей дальнего зарубежья
| Страна | Производитель | Асинхронный двигатель | Синхронный двигатель | УД | КДПТ | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| СДОВ | СДПМ, серво | СРД, СГД | Шаговый | |||||||
| Швейцария | ABB Limited | |||||||||
| США | Allied Motion Technologies Inc. | |||||||||
| США | Ametek Inc. | |||||||||
| США | Anaheim automation | |||||||||
| США | Arc System Inc. | |||||||||
| Германия | Baumueller | |||||||||
| Словения | Domel | |||||||||
| США | Emerson Electric Corporation | |||||||||
| США | General Electric | |||||||||
| США | Johnson Electric Holdings Limited | |||||||||
| Германия | Liebherr | |||||||||
| Швейцария | Maxon motor | |||||||||
| Япония | Nidec Corporation | |||||||||
| Германия | Nord | |||||||||
| США | Regal Beloit Corporation | |||||||||
| Германия | Rexroth Bosch Group | |||||||||
| Германия | Siemens AG | |||||||||
| Бразилия | WEG |
ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
И.В.Савельев. Курс общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.-М.:Наука, 1970.
ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) Стандартные напряжения.
ГОСТ 16264.0-85 Электродвигатели малой мощности
А.И.Вольдек, В.В.Попов. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов.- СПб.: Питер, 2007.
Paul Waide, Conrad U. Brunner. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. International Energy Agency Working Paper, Energy Efficiency Series.: Paris, 2011.
Dr. J. Merwerth. The hybrid-synchronous machine of the new BMW i3 & i8 challenges with electric traction drives for vehicles. BMW Group, Workshop University Lund: Lund, 2014.
Что такое постоянный ток и чем он отличается от переменного?
Начать рассмотрение вопроса работы эл. двигателей необходимо с того, на чем она базируется, то есть с определения понятия «электрический ток» и его основных видов. Еще со школы нам должно быть известно, что в физике электрическим током называют направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов). Его разделение на постоянный и переменный происходит в зависимости от величины и направления тока в некотором промежутке времени. Это хорошо видно на следующем графике:
Как видим, график (красная линия) не меняется по времени, напряжение остается стабильным. В то же время, переменный ток (зеленый график) имеет форму синусоиды, постоянно меняя свое значение и направление со временем. Периодичность, с которой график проходит через одинаковые точки по ординате называется частотой и ее стандартное значение 50 Гц.
На самом деле, практически любой бытовой прибор, электроинструмент использует постоянный ток, который преобразовывается из переменного (сетевого). Может возникнуть закономерный вопрос, а для чего тогда использовать синусоидальный ток? Дело в том, что такая форма задания тока позволяет легко преобразовывать напряжение, идущее от генератора электростанции с 200-300 тысяч Вольт до привычных 220, с учетом коэффициента эффективности.
Способы возбуждения коллекторных двигателей
Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Свойства электродвигателей во многом объясняется способом, которым обмотки статора могут подключаться относительно якоря:
- последовательно с якорем (так называемое последовательное возбуждение);
- параллельно с якорем (параллельное возбуждение);
- отдельным источником питания (независимое возбуждение);
- часть обмоток параллельно с якорем, часть последовательно (смешанное возбуждение).
Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением
В этом электродвигателе обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю), а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат. Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой — для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому можно приближенно считать, что и магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки. Зависимости момента и частоты вращения от тока будут линейными: момент прямо пропорционален току нагрузки и линейно снижается с ростом частоты вращения.
В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя, и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток, э. д. с., и возрастает ток. А так как приложенное напряжение остается неизменным, то частота вращения будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. не достигнет значения, приблизительно равного напряжению питания, что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря.
При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток, обмотка может выйти из строя из-за перегрева.
Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением
Здесь обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат.
В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения не зависит от тока обмотки якоря. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.
Конструкция и технические возможности
В цилиндре делаются пазы, в нее укладываются провода в виде рамки, и коллектор присоединяют к пластинам. Так делается большинство роторов дпт. Поскольку щетки присоединяются к источнику питания, и только они вместе с коллектором определяют работу движка и состоят в связи с электросетью, ротор дпт — это якорь. В этом и есть отличие якоря электродвигателей пт. Якорю в асинхронном и синхронном моторах присуще быть статором.
Ротор дпт
Изображение конструкции ротора электромотора, показанное выше, наглядно дает понимание того, как работает двигатель постоянного тока. Щетки подают на пластины коллектора постоянное напряжение. Обмотка на сердечнике — это своего рода соленоид. На постоянном токе сердечник соленоида намагничивается и обретает полюса. В результате устройство электродвигателя — это, по сути, взаимодействующие постоянные магниты. Эти принципы взаимодействия хорошо известны всем. И наверняка каждый человек, державший в руках два магнита, помнит, что одноименные полюса их отталкиваются, а разноименные — притягиваются.
Как устроен дпт
По такому же принципу работают все электрические машины, выполняющие функции электромоторов. Как на переменном, так и на постоянном токе. Электрический двигатель постоянного тока имеет щеточный коллекторный узел. Он в определенный момент отключает от источника питания одну обмотку-рамку и питает током следующую. В результате такого устройства полюсы соленоида смещаются. А основанное на принципе взаимодействия постоянных магнитов вращение ротора продолжается.
Принцип действия электродвигателя постоянного тока не предусматривает обязательное применение постоянных магнитов в статоре. В большинстве мощных коллекторных движков по причине дороговизны постоянных магнитов конструкцию статора делают на основе электромагнита. Это не только дешевле. Такая конструкция совместно с использованием щеточно-коллекторного узла в моторе и работающая на тех же принципах, что и движки с постоянными магнитами, позволяет совместить в одном устройстве способность работать как на постоянном, так и на переменном напряжении.
Если в статоре применен постоянный магнит, направление тока в рамке, которое определено полярностью щеток, будет обуславливать вращение вала (рамки) в ту или противоположную сторону. Двигатель постоянного тока с электромагнитным статором называют также универсальным электродвигателем. Обмотку статора и щетки можно в нем соединять либо последовательно, либо параллельно. В любом из этих соединений принцип работы электродвигателя пт обеспечит однонаправленное вращение вала при подключении к переменному напряжению.
