WikiDer > Двигатель постоянного тока

DC motor
Работа щеточного электродвигателя с двухполюсным ротором (якорем) и статором с постоянным магнитом. «N» и «S» обозначают полярность на внутренних поверхностях оси магниты; внешние грани имеют противоположную полярность. В + и - знаки показывают, где постоянный ток подается на коммутатор который подает ток на арматура катушки
Статьи о
Электромагнетизм
Соленоид
В Локомотив класса DD1 Пенсильванской железной дороги Ходовая часть представляла собой полупостоянно соединенную пару двигателей электровоза постоянного тока с третьим рельсом, построенных для первоначальной электрификации железной дороги в районе Нью-Йорка, когда в городе были запрещены паровозы (кабина локомотива здесь удалена).

А Двигатель постоянного тока любой из классов поворотных электродвигатели который преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую. 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 двигателя, широко использовавшейся, 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. В универсальный мотор может работать на постоянном токе, но имеет небольшой вес почищенный двигатель, используемый для переносных 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 силовая электроника произвела замену двигателей постоянного тока на Двигатели переменного тока возможно во многих приложениях.

Электромагнитные двигатели

Катушка с проволокой, через которую проходит ток, генерирует электромагнитный поле совмещено с центром катушки. Направление и величина магнитного поля, создаваемого катушкой, можно изменять в зависимости от направления и величины тока, протекающего через нее.

Простой двигатель постоянного тока имеет неподвижный набор магнитов в статор и арматура 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 подключаются к коммутатор. Коммутатор позволяет по очереди запитывать каждую катушку якоря и соединяет вращающиеся катушки с внешним источником питания через щетки. (Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют электронику, которая переключает постоянный ток на каждую катушку и не имеет 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 направление эффективных электромагнитных полей. Последовательно включая и выключая катушки, можно создать вращающееся магнитное поле. Эти вращающиеся магнитные поля взаимодействуют с магнитными полями магнитов (постоянными или электромагниты) в неподвижной части двигателя (статоре) для создания крутящего момента 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 различные 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 силовая электроника системы, 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 приложениях, таких как электровозы и трамваи. Электродвигатель постоянного тока был опорой электрического тяговые приводы как на электрическом, так и на дизель-электрические локомотивы, трамваи и дизель-электрические буровые установки на протяжении многих лет. Внедрение двигателей постоянного тока и электрическая сеть система для запуска машин, начиная с 1870-х годов, запустила новую вторая промышленная революция. Двигатели постоянного тока могут работать напрямую от аккумуляторных батарей, обеспечивая движущую силу для первых электромобилей и сегодняшних Гибридные машины и электромобили а также вождение множества беспроводной инструменты. 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 намотки для шахтные подъемники, для 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 мощность, он действует как генератор постоянного тока, динамо. 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. Этот процесс называется рекуперативное торможение на гибридных и электромобилях. В дизельных электровозах они также используют свои двигатели постоянного тока в качестве генераторов для замедления, но рассеивания энергии в пакетах резисторов. В новых конструкциях добавлены большие аккумуляторные батареи, чтобы вернуть часть этой энергии.

Матовый

Основная статья: Матовый электродвигатель постоянного тока
Щеточный электродвигатель постоянного тока, генерирующий крутящий момент от источника постоянного тока с помощью внутренней механической коммутации. Стационарные постоянные магниты образуют поле статора. Крутящий момент создается по принципу, согласно которому любой проводник с током, помещенный во внешнее магнитное поле, испытывает силу, известную как сила Лоренца. В двигателе величина этой силы Лоренца (вектор, представленный зеленой стрелкой) и, следовательно, выходной крутящий момент являются функцией угла ротора, что приводит к явлению, известному как пульсация крутящего момента) Поскольку это двухполюсный двигатель, коммутатор состоит из разрезного кольца, так что ток меняется каждые пол-оборота (180 градусов).

В щеточный электродвигатель постоянного тока генерирует крутящий момент непосредственно из источника постоянного тока, подаваемого на двигатель, с помощью внутренней коммутации, стационарных магнитов (постоянный или же 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 коммутатор. 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 для поддержания давления на щетку при ее укорачивании. Для щеток, рассчитанных на ток более одного-двух ампер, в щетке будет вставлен выводной провод, 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 изготовлены из свернутой полосы металла, которая контактирует с коммутатором.

Бесщеточный

Основные статьи: Бесщеточный электродвигатель постоянного тока и Коммутируемый реактивный двигатель

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 AC. Эта конструкция механически проще, чем у щеточных двигателей, поскольку она устраняет сложность передачи мощности извне двигателя на вращающийся ротор. Контроллер мотора может определять положение ротора через эффект Холла датчики или аналогичные устройства и могут точно контролировать синхронизацию, фазу и т. д. тока в обмотках ротора, чтобы оптимизировать крутящий момент, сохранить мощность, регулировать скорость и даже применить некоторое торможение. Преимущества бесщеточных двигателей включают длительный срок службы, минимальное техническое обслуживание или его отсутствие 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

Другие типы двигателей постоянного тока не требуют коммутации.

  • Униполярный двигатель - У униполярного двигателя магнитное поле вдоль оси вращения и электрический ток в какой-то момент не параллельны магнитному полю. Название униполярный означает отсутствие 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 шарикоподшипниках - Двигатель на шариковых подшипниках - это необычный электродвигатель, состоящий из двух подшипник-типа, с внутренними кольцами, установленными на общем токопроводящем валу, и внешними кольцами, подключенными к источнику сильноточного и низкого напряжения. В альтернативной конструкции внешние кольца устанавливаются внутри металлической трубы, в то время как 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

Основная статья: Электродвигатель с постоянным магнитом

Двигатель с постоянными магнитами не имеет обмотки возбуждения на раме статора, вместо этого полагаясь на PM, чтобы обеспечить 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 магнитный 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, изготовленные из неодим или другие стратегические элементы; большинство из них - сплав неодим-железо-бор. Благодаря своей более высокой плотности потока электрические машины с высокоэнергетическими ФЭУ по крайней мере конкурентоспособны со всеми оптимально спроектированными. одинокий синхронные и индукционные электрические машины. 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.

Обмотка статоров

Катушка возбуждения может быть подключена шунтом, последовательно или вместе с якорем машины постоянного тока (двигателя или генератора).
Основная статья: универсальный мотор
Смотрите также: Возбуждение (магнитное)

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

Последовательный двигатель постоянного тока подключает арматура и обмотки возбуждения в серии с общий Источник питания постоянного тока. Скорость двигателя изменяется как нелинейная функция момента нагрузки и тока якоря; ток является общим как для статора, так и для ротора, давая ток в квадрате (I ^ 2).[нужна цитата]. Серийный двигатель имеет очень высокий пусковой момент и обычно используется для пуска высокоинерционных нагрузок, таких как поезда, лифты или подъемники.[2] Эта характеристика скорости / момента полезна в таких приложениях, как экскаваторы-драглайны, где землеройный инструмент быстро перемещается в ненагруженном состоянии и 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.

Двигатели серии называются универсальные двигатели можно использовать на переменный ток. 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 реактивное сопротивление падение напряжения переменного тока, которого нет в постоянном.[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 моторы для коммерческого полезность обычно имеют небольшую мощность, не более 1 кВт. Однако для электровозов применялись универсальные двигатели гораздо большей мощности, питаемые от специальных низкочастотных двигателей. тяговые электрические сети чтобы избежать проблем с коммутацией при больших и переменных нагрузках.

Шунтирующее соединение

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] Он обычно используется в промышленных приложениях с регулируемой скоростью, таких как станки, намоточные / разматывающие машины и натяжители.

Составное соединение

Составной двигатель постоянного тока соединяет якорь и обмотки возбуждения в шунте и 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.

Смотрите также

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ Герман, Стивен. Промышленное управление двигателем. 6-е изд. Делмар, Cengage Learning, 2010. Стр. 251.
  2. ^ Огайо Электромоторс. Двигатели серии DC: высокий пусковой момент, но работа без нагрузки не рекомендуется. Огайо Электрик Моторс, 2011. В архиве 31 октября 2011 г. Wayback Machine
  3. ^ «Универсальный мотор», Конструкция и рабочие характеристики, Проверено 27 апреля 2015.
  4. ^ Лотон М.А., Уорн Д.Ф., редакторы. Справочник электромонтера. 16-е изд. Newnes, 2003. Стр. 19-4.
  5. ^ Уильям Х. Йидон, Алан В. Йидон. Справочник малых электродвигателей. McGraw-Hill Professional, 2001. Стр. 4-134.