| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
Двигатель постоянного ток представляет собой любой из класса вращающихся электродвигателей , который преобразует постоянный ток электрической энергии в механическую энергию. Наиболее распространенные типы основаны на силах, создаваемых магнитными полями. Почти все типы двигателей постоянного тока имеют какой-либо внутренний механизм, электромеханический или электронный, для периодического изменения направления тока в части двигателя.
Двигатели постоянного тока были первой формой двигателей, широко используемых, поскольку они могли питаться от существующих систем распределения электроэнергии постоянного тока. Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать в широком диапазоне, используя либо переменное напряжение питания, либо изменяя силу тока в его обмотках возбуждения. Небольшие двигатели постоянного тока используются в инструментах, игрушках и бытовой технике. Универсальный двигатель может работать на постоянном токе , но это легкий шлифованный двигатель используется для портативных электроинструментов и приборов. В настоящее время более крупные двигатели постоянного тока используются в приводах электромобилей, лифтов и подъемников, а также в приводах сталепрокатных станов. Появление силовой электроники сделало замену двигателей постоянного тока двигателями переменного тока возможной во многих приложениях.
Электромагнитные двигатели [ править ]
Катушка с проволокой, через которую проходит ток, создает электромагнитное поле, выровненное по центру катушки. Направление и величина магнитного поля, создаваемого катушкой, могут изменяться в зависимости от направления и величины тока, протекающего через нее.
Простой двигатель постоянного тока имеет неподвижный набор магнитов в статоре и якорь с одной или несколькими обмотками из изолированного провода, намотанного вокруг сердечника из мягкого железа, который концентрирует магнитное поле. Обмотки обычно имеют несколько витков вокруг сердечника, а в больших двигателях может быть несколько параллельных путей тока. Концы обмотки провода подключены к коммутатору . Коммутатор позволяет по очереди запитывать каждую катушку якоря и через щетки соединяет вращающиеся катушки с внешним источником питания. (Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют электронику, которая переключает постоянный ток на каждую катушку, и не имеют щеток.)
Общее количество тока, подаваемого на катушку, размер катушки и то, что она намотана, определяют силу создаваемого электромагнитного поля.
Последовательность включения или выключения конкретной катушки определяет, в каком направлении будут направлены эффективные электромагнитные поля. Последовательно включая и выключая катушки, можно создать вращающееся магнитное поле. Эти вращающиеся магнитные поля взаимодействуют с магнитными полями магнитов (постоянных или электромагнитов ) в неподвижной части двигателя (статоре), создавая крутящий момент на якоре, который заставляет его вращаться. В некоторых конструкциях двигателей постоянного тока поля статора используют электромагниты для создания своих магнитных полей, которые позволяют лучше контролировать двигатель.
На высоких уровнях мощности двигатели постоянного тока почти всегда охлаждаются принудительным воздухом.
Различное количество полей статора и якоря, а также способ их подключения обеспечивают разные характеристики регулирования скорости / момента. Скорость двигателя постоянного тока можно контролировать, изменяя напряжение, подаваемое на якорь. Введение переменного сопротивления в цепь якоря или цепь возбуждения позволяло регулировать скорость. Современные двигатели постоянного тока часто управляются системами силовой электроники , которые регулируют напряжение, «прерывая» постоянный ток на циклы включения и выключения, которые имеют эффективное более низкое напряжение.
Поскольку двигатель постоянного тока с последовательным заводом развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи . Двигатель постоянного тока был основой электрических тяговых приводов как на электрических, так и на дизель-электрических локомотивах , трамваях и дизель-электрических буровых установках на протяжении многих лет. Внедрение двигателей постоянного тока и системы электросетей для работы машин начиная с 1870-х годов положило начало новой второй промышленной революции . Двигатели постоянного тока могут работать напрямую от аккумуляторных батарей, обеспечивая движущую силу для первых электромобилей и современных гибридных автомобилей и электромобилей.а также управлять множеством аккумуляторных инструментов. Сегодня двигатели постоянного тока все еще используются в таких небольших приложениях, как игрушки и дисководы, или в больших размерах для работы сталепрокатных станов и бумагоделательных машин. Большие двигатели постоянного тока с отдельно возбужденными полями обычно использовались с приводами лебедок шахтных подъемников для обеспечения высокого крутящего момента, а также плавного регулирования скорости с помощью тиристорных приводов. Сейчас они заменены большими двигателями переменного тока с частотно-регулируемыми приводами.
Если к двигателю постоянного тока подается внешняя механическая энергия, он действует как генератор постоянного тока, динамо-машина . Эта функция используется для замедления и перезарядки аккумуляторов гибридных и электрических автомобилей или для возврата электричества в электрическую сеть, используемую на трамвае или линии электропоездов, когда они замедляются. На гибридных и электрических автомобилях этот процесс называется рекуперативным торможением . В дизельных электровозах они также используют свои двигатели постоянного тока в качестве генераторов для замедления, но рассеивания энергии в пакетах резисторов. В новых разработках добавлены большие аккумуляторные батареи, чтобы вернуть часть этой энергии.
Матовый [ править ]
Щетка электрический двигатель постоянного тока генерирует крутящий момент непосредственно от источника постоянного тока , подаваемого на двигатель, используя внутреннюю коммутацию, стационарные магниты ( постоянные или электромагниты ), и вращающиеся электромагниты.
Преимущества щеточного двигателя постоянного тока включают низкую начальную стоимость, высокую надежность и простое управление скоростью двигателя. Недостатки - необходимость в обслуживании и малый срок службы при интенсивном использовании. Техническое обслуживание включает регулярную замену угольных щеток и пружин, по которым проходит электрический ток, а также чистку или замену коммутатора . Эти компоненты необходимы для передачи электроэнергии извне двигателя на вращающиеся проволочные обмотки ротора внутри двигателя.
Щетки обычно изготавливаются из графита или углерода, иногда с добавлением дисперсной меди для улучшения проводимости. При использовании материал мягкой щетки изнашивается, чтобы соответствовать диаметру коллектора, и продолжает изнашиваться. Держатель щетки имеет пружину, чтобы поддерживать давление на щетку при ее укорачивании. Для щеток, рассчитанных на ток более одного-двух ампер, в щетке будет вставлен выводной вывод, который будет подсоединен к клеммам двигателя. Очень маленькие щетки могут полагаться на скользящий контакт с металлическим щеткодержателем для передачи тока в щетку или могут полагаться на контактную пружину, нажимающую на конец щетки. Щетки в очень маленьких двигателях с коротким сроком службы, таких как используемые в игрушках, могут быть сделаны из свернутой полосы металла, которая контактирует с коммутатором.
Бесщеточный [ править ]
Типичные бесщеточные двигатели постоянного тока используют один или несколько постоянных магнитов в роторе и электромагниты на корпусе двигателя для статора. Контроллер мотора преобразует постоянный ток в переменный . Эта конструкция механически проще, чем конструкция щеточных двигателей, поскольку она устраняет сложность передачи мощности извне двигателя на вращающийся ротор. Контроллер мотора может определять положение ротора с помощью эффекта Холла.датчики или аналогичные устройства и могут точно контролировать синхронизацию, фазу и т. д. тока в обмотках ротора для оптимизации крутящего момента, экономии энергии, регулирования скорости и даже применения некоторого торможения. Преимущества бесщеточных двигателей включают длительный срок службы, минимальное обслуживание или полное отсутствие обслуживания и высокую эффективность. К недостаткам можно отнести высокую начальную стоимость и более сложные регуляторы скорости двигателя. Некоторые такие бесщеточные двигатели иногда называют «синхронными двигателями», хотя у них нет внешнего источника питания для синхронизации, как в случае с обычными синхронными двигателями переменного тока.
Некоммутированный [ править ]
Другие типы двигателей постоянного тока не требуют коммутации.
- Униполярный двигатель. У униполярного двигателя есть магнитное поле вдоль оси вращения и электрический ток, который в какой-то момент не параллелен магнитному полю. Название униполярный относится к отсутствию смены полярности. У униполярных двигателей обязательно есть одновитковая катушка, что ограничивает их до очень низких напряжений. Это ограничило практическое применение этого типа двигателя.
- Двигатель на шариковых подшипниках - двигатель на шариковых подшипниках - это необычный электродвигатель, который состоит из двух подшипников типа шарикоподшипников, с внутренними кольцами, установленными на общем проводящем валу, и внешними дорожками, подключенными к источнику питания с высоким током и низким напряжением. В альтернативной конструкции внешние кольца устанавливаются внутри металлической трубки, а внутренние дорожки устанавливаются на валу с непроводящей секцией (например, две втулки на изолирующем стержне). Преимущество этого метода в том, что труба действует как маховик. Направление вращения определяется начальным вращением, которое обычно требуется для его запуска.
Статоры с постоянными магнитами [ править ]
Двигатель с постоянными магнитами не имеет обмотки возбуждения на раме статора, а вместо этого полагается на магнитные поля, которые создают магнитное поле, с которым поле ротора взаимодействует для создания крутящего момента. Компенсирующие обмотки, включенные последовательно с якорем, могут использоваться на больших двигателях для улучшения коммутации под нагрузкой. Поскольку это поле является фиксированным, его нельзя настроить для управления скоростью. Поля с постоянными магнитами (статоры) удобны в миниатюрных двигателях, чтобы исключить потребление энергии обмоткой возбуждения. Большинство более крупных двигателей постоянного тока относятся к типу "динамо", которые имеют обмотки статора. Исторически сложилось так, что PM нельзя было заставить сохранять высокий поток, если они были разобраны; обмотки возбуждения были более практичными для получения необходимого количества магнитного потока. Однако большие PM являются дорогостоящими, опасными и сложными в сборке; это благоприятствует намотанным полям для больших машин.
Чтобы минимизировать общий вес и размер, миниатюрные двигатели с постоянными магнитами могут использовать высокоэнергетические магниты, сделанные из неодима или других стратегических элементов; большинство из них - сплавы неодим-железо-бор. Благодаря более высокой плотности магнитного потока электрические машины с высокоэнергетическими ФЭУ, по крайней мере, конкурентоспособны со всеми оптимально сконструированными синхронными и индукционными электрическими машинами с однополярным питанием . Миниатюрные двигатели напоминают структуру на иллюстрации, за исключением того, что у них есть по крайней мере три полюса ротора (для обеспечения запуска, независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубку, которая магнитно связывает внешние части изогнутых магнитов поля.
Раны статоров [ править ]
Для электродвигателей постоянного тока возможны три типа электрических соединений между статором и ротором: последовательное, шунтирующее / параллельное и составное (различные сочетания последовательного и параллельного / параллельного), и каждое из них имеет уникальные характеристики скорости / крутящего момента, подходящие для различных профилей крутящего момента нагрузки / подписи. [1]
Последовательное соединение [ править ]
Двигатель постоянного тока серии соединяет якоря и обмотки возбуждения в серии с общим источником питания постоянного тока. Скорость двигателя изменяется как нелинейная функция момента нагрузки и тока якоря; ток является общим для статора и ротора, давая ток в квадрате (I ^ 2) поведения [ необходима ссылка ] . Серийный двигатель имеет очень высокий пусковой момент и обычно используется для пуска высокоинерционных нагрузок, таких как поезда, лифты или подъемники. [2] Эта характеристика скорости / крутящего момента полезна в таких приложениях, как экскаваторы-драглайны , где землеройный инструмент движется быстро при разгрузке, но медленно при переносе тяжелого груза.
Никогда не запускайте серийный двигатель без нагрузки. При отсутствии механической нагрузки на последовательный двигатель ток низкий, противодвижущая сила, создаваемая обмоткой возбуждения, мала, поэтому якорь должен вращаться быстрее, чтобы создать достаточную противо-ЭДС для балансировки напряжения питания. Двигатель может быть поврежден из-за превышения скорости. Это называется неконтролируемым состоянием.
Серийные двигатели, называемые универсальными двигателями, могут использоваться на переменном токе . Поскольку напряжение якоря и направление поля меняются одновременно, крутящий момент продолжает создаваться в одном и том же направлении. Однако они работают на более низкой скорости с меньшим крутящим моментом при питании переменного тока по сравнению с постоянным током из-за падения реактивного напряжения переменного тока, которого нет в постоянном токе. [3] Поскольку скорость не связана с частотой сети, универсальные двигатели могут развивать скорость выше синхронной, что делает их легче, чем асинхронные двигатели с той же номинальной механической мощностью. Это ценная характеристика ручных электроинструментов. Универсальные двигатели коммерческого назначенияобычно имеют небольшую мощность, не более 1 кВт. Однако для электровозов использовались гораздо более крупные универсальные двигатели, питаемые от специальных низкочастотных тяговых сетей, чтобы избежать проблем с коммутацией при больших и переменных нагрузках.
Шунтирующее соединение [ править ]
Шунтирующий двигатель постоянного тока соединяет якорь и обмотки возбуждения параллельно или шунтирует с общим источником постоянного тока. Этот тип двигателя имеет хорошее регулирование скорости даже при изменении нагрузки, но не имеет пускового момента последовательного двигателя постоянного тока. [4] Обычно он используется в промышленных приложениях с регулируемой скоростью, например, в станках, намоточных / разматывающих машинах и натяжителях.
Составное соединение [ править ]
Составной двигатель постоянного тока соединяет якорь и обмотки возбуждения в шунте и в последовательной комбинации, чтобы придать ему характеристики как шунтирующего, так и последовательного двигателя постоянного тока. [5] Этот двигатель используется, когда требуется как высокий пусковой момент, так и хорошее регулирование скорости. Двигатель может быть подключен двумя способами: кумулятивно или дифференциально. Кумулятивные составные двигатели подключают последовательное поле, чтобы помочь шунтирующему полю, которое обеспечивает более высокий пусковой момент, но меньшее регулирование скорости. Дифференциальные составные двигатели постоянного тока имеют хорошее регулирование скорости и обычно работают с постоянной скоростью.
См. Также [ править ]
- Крутящий момент
- Уорд Леонард контроль
- Крутящий момент и скорость двигателя постоянного тока
- Двигатель постоянного тока с управлением якорем
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме двигателей постоянного тока . |
- Сделайте рабочую модель двигателя постоянного тока на sci-toys.com
- Как выбрать двигатель постоянного тока в МИКРОМО
- Модель двигателя постоянного тока в Simulink при обмене файлами - MATLAB Central
Ссылки [ править ]
- ^ Герман, Стивен. Промышленное управление двигателем. 6-е изд. Делмар, Cengage Learning, 2010. Стр. 251.
- ^ Ohio Electric Motors. Двигатели серии постоянного тока: высокий пусковой крутящий момент, но работа без нагрузки не рекомендуется. Ohio Electric Motors, 2011. Архивировано 31 октября 2011 года на Wayback Machine.
- ^ "Универсальный двигатель" , конструкция и рабочие характеристики, проверено 27 апреля 2015 г.
- ^ Laughton MA и Warne DF, редакторы. Справочник электромонтера. 16-е изд. Newnes, 2003. Стр. 19-4.
- ^ Уильям Х. Йидон, Алан В. Йидон. Справочник малых электродвигателей. McGraw-Hill Professional, 2001. Стр. 4-134.
