Двигатели постоянного тока с электромагнитным катушечным возбуждением: Устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока

alexxlab | 10.01.1990 | 0 | Разное

Содержание

Двигатель последовательного возбуждения и его характеристики. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения

В двигателях последовательного возбуждения ток якоря одновременно является также током возбуждения: i в = I а = I . Поэтому поток Ф δ изменяется в широких пределах и можно написать, что

(3)

(4)

Скоростная характеристика двигателя [смотрите выражение (2)], представленная на рисунке 1, является мягкой и имеет гиперболический характер. При k Ф = const вид кривой n = f (I ) показан штриховой линией. При малых I скорость двигателя становится недопустимо большой. Поэтому работа двигателей последовательного возбуждения, за исключением самых маленьких, на холостом ходу не допускается, а использование ременной передачи неприемлемо. Обычно минимально допустимая нагрузка P

2 = (0,2 – 0,25) P н.

Естественная характеристика двигателя последовательного возбуждения n = f (M ) в соответствии с соотношением (3) показана на рисунке 3 (кривая 1 ).

Поскольку у двигателей параллельного возбуждения M ∼ I , а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно M ∼ I ² и при пуске допускается I = (1,5 – 2,0) I н, то двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n ≈ const, а у двигателей последовательного возбуждения, согласно выражениям (2) и (3), приблизительно (при R а = 0)

n ∼ U / I ∼ U / √M .

Поэтому у двигателей параллельного возбуждения

P 2 = Ω × M = 2π × n × M ∼ M ,

а у двигателей последовательного возбуждения

P 2 = 2π × n × M ∼ √M .

Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки M ст = M в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.

Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.

Рисунок 2. Схемы регулирования скорости вращения двигателя последовательного возбуждения посредством шунтирования обмотки возбуждения (а ), шунтирования якоря (б ) и включения сопротивления в цепь якоря ( в )

Отметим, что при повышении скорости вращения двигатель последовательного возбуждения в режим генератора не переходит. На рисунке 1 это очевидно из того, что характеристика n = f (I ) не пересекает оси ординат. Физически это объясняется тем, что при переходе в режим генератора, при заданном направлении вращения и заданной полярности напряжения, направление тока должно измениться на обратное, а направление электродвижущей силы (э. д. с.) E а и полярность полюсов должны сохраняться неизменными, однако последнее при изменении направления тока в обмотке возбуждения невозможно. Поэтому для перевода двигателя последовательного возбуждения в режим генератора необходимо переключить концы обмотки возбуждения.

Регулирование скорости посредством ослабления поля

Регулирование n посредством ослабления поля производится либо путем шунтирования обмотки возбуждения некоторым сопротивлением R ш.в (рисунок 2, а ), либо уменьшением числа включенных в работу витков обмотки возбуждения. В последнем случае должны быть предусмотрены соответствующие выводы из обмотки возбуждения.

Так как сопротивление обмотки возбуждения R в и падение напряжения на нем малы, то R ш.в также должно быть мало. Потери в сопротивлении R ш.в поэтому малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого коэффициент полезного действия (к. п. д.) двигателя остается высоким, и такой способ регулирования широко применяется на практике.

При шунтировании обмотки возбуждения ток возбуждения со значения I уменьшается до

и скорость n соответственно увеличивается. Выражения для скоростной и механических характеристик при этом получим, если в равенствах (2) и (3) заменим k Ф на k Ф k о.в, где

представляет собой коэффициент ослабления возбуждения. При регулировании скорости изменение числа витков обмотки возбуждения

k о.в = w в.раб / w в.полн.

На рисунке 3 показаны (кривые 1 , 2 , 3 ) характеристики n = f (M ) для этого случая регулирования скорости при нескольких значениях k о.в (значению k о.в = 1 соответствует естественная характеристика 1 , k о.в = 0,6 – кривая 2 , k о.в = 0,3 – кривая 3 ). Характеристики даны в относительных единицах и соответствуют случаю, когда k Ф = const и R а* = 0,1.

Регулирование скорости путем шунтирования якоря

При шунтировании якоря (рисунок 2, б ) ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения R в × I мало и поэтому можно принять R в ≈ 0, то сопротивление R ш.а практически находится под полным напряжением сети, его значение должно быть значительным, потери в нем будут велики и к. п. д. сильно уменьшится.

Кроме того, шунтирование якоря эффективно тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко.

На рисунке 3 кривая 4 n = f (M ) при

I ш.а ≈ U / R ш.а = 0,5 I н.

Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря

Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря (рисунок 2, в ). Этот способ позволяет регулировать n вниз от номинального значения. Так как одновременно при этом значительно уменьшается к. п. д., то такой способ регулирования находит ограниченное применение.

Выражения для скоростной и механической характеристик в этом случае получим, если в равенствах (2) и (3) заменим R а на R а + R ра. Характеристика n = f (M) для такого способа регулирования скорости при R ра* = 0,5 изображена на рисунке 3 в виде кривой 5 .

Рисунок 4. Параллельное и последовательное включение двигателей последовательного возбуждения для изменения скорости вращения

Регулирование скорости изменением напряжения

Этим способом можно регулировать n вниз от номинального значения с сохранение высокого к. п. д. Рассматриваемый способ регулирования широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного включения в сеть на последовательное (рисунок 4). На рисунке 3 кривая 6 представляет собой характеристику n = f (M ) для этого случая при U = 0,5U н.

Полная механическая характеристика двигателя постоянного тока позволяет правильно определиться с основными свойствами электродвигателя, а также проконтролировать их соответствие всем требованиям, предъявляемым на сегодняшний день к машинам или устройствам технологического типа.

Особенности конструкции

Представлены вращающимися нагнетательными элементами, которые размещаются на поверхности статически закрепленной станины. Устройства подобного типа получили широкое применение и эксплуатируются при необходимости обеспечивать разнообразие скоростного регулирования в условиях стабильности вращательных движений привода.

С конструктивной точки зрения все виды ДПТ представлены:

роторной или якорной частью в виде большого количества катушечных элементов, покрытых специальной токопроводящей обмоткой;
статичным индуктором в виде стандартной станины, дополненной несколькими магнитными полюсами;
функциональным щеточным коллектором цилиндрической формы, располагающимся на валу и имеющим медную пластинчатую изоляцию;
статично зафиксированными контактными щетками, используемыми с целью подведения достаточного количества электротока на роторную часть.

Как правило, электрические двигатели ПТ оснащаются специальными щетками графитового и медно-графитного типа. Вращательные движения вала провоцируют замыкание и размыкание контактной группы, а также способствуют искрению.

Определенное количество механической энергии поступает от роторной части к другим элементам, что обусловлено наличием передачи ременного типа.

Принцип функционирования

Синхронные устройства обращенного функционала характеризуются сменой выполнения задач статором и ротором. Первый элемент служит для возбуждения магнитного поля, а второй в этом случае преобразует достаточное количество энергии.

Якорное вращение в условиях магнитного поля наводится при помощи ЭДС, а движение направлено в соответствии с правилом правой руки. Поворот на 180 о сопровождается стандартной сменой движения ЭДС.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Коллекторы посредством щеточного механизма соединяются с двумя витковыми сторонами, что провоцирует удаление пульсирующего напряжения и вызывает образование постоянных токовых величин, а снижение якорной пульсации осуществляется добавочными витками.

Механическая характеристика

На сегодняшний день эксплуатируются электромоторы ПТ нескольких категорий, имеющие различные виды возбуждения:

независимого типа, при котором обмоточное питание определяется независимым источником энергии;
последовательного типа, при котором подключение якорной обмотки выполняется в последовательном направлении с обмоточным элементом возбуждения;
параллельного типа, при котором роторная обмотка подключается в электрической цепи в параллельном для источника питания направлении;
смешанного типа, основанном на наличии нескольких последовательных и параллельных обмоточных элементов.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ

Механические моторные характеристики подразделяются на показатели естественного и искусственного вида. Неоспоримые преимущества ДПТ представлены повышенными показателями производительности и увеличенным КПД.

Благодаря особым механическим характеристикам устройства с постоянными токовыми величинами способны легко переносить негативные внешние воздействия, что объясняется закрытым корпусом с уплотнительными элементами, абсолютно исключающими попадание влаги внутрь конструкции.

Модели независимого возбуждения

Моторы ПТ НВ обладают обмоточным возбуждением, подключаемым к отдельному виду источника для электрического питания. В таком случае обмоточная цепь возбуждения ДПТ НВ дополняется реостатом регулировочного типа, а якорная цепь снабжается добавочными или пусковыми реостатными элементами.

Отличительной особенностью такого вида мотора является независимость токового возбуждения от якорного тока, что обуславливается независимым питанием обмоточного возбуждения.

Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением

Линейная механическая характеристика при независимом типе возбуждения:

ω – показатели вращательной частоты;
U – показатели напряжения на эксплуатируемой якорной цепи;
Ф – параметры магнитного потока;
R я и R д – уровень якорного и добавочного сопротивления;
Α – константа конструкции движка.

Данным типом уравнения определяется зависимость вращательной скорости мотора к моменту вала.

Модели последовательного возбуждения

ДПТ с ПТВ представляют собой устройство электрического типа с постоянными токовыми величинами, имеющими обмотку возбуждения, последовательно подключенную к якорной обмотке. Данный тип движков характеризуется справедливостью следующего равенства: током, протекающим в обмотке якоря, равным током обмоточного возбуждения, или I=I в =I я.

Механические характеристики при последовательном и смешанном возбуждении

При использовании последовательного типа возбуждения:

n 0 – показатели частоты вращения вала в условиях холостого хода;
Δ n – показатели изменения частоты вращения в условиях механической нагрузки.

Смещение механических характеристик вдоль оси ординат позволяет им оставаться в полностью параллельном расположении друг другу, благодаря чему регулирование вращательной частоты при изменении данного напряжения U, подведенного к якорной цепи, становится максимально благоприятным.

Модели смешанного возбуждения

Для смешанного возбуждения свойственно расположение между параметрами устройств параллельного и последовательного возбуждения, чем легко обеспечивается значительность пускового момента и полностью исключается любая возможность «разноса» движкового механизма в условиях холостого хода.

В условиях смешанного типа возбуждения:

Двигатель смешанного возбуждения

Регулировка частоты моторного вращения при наличии возбуждения смешанного типа осуществляется по аналогии с двигателями, имеющими параллельное возбуждение, а варьирование МДС-обмоток способствует получению практически любой промежуточной механической характеристики.

Уравнение механической характеристики

Наиболее важные механические характеристики ДПТ представлены естественными и искусственными критериями, при этом первый вариант сравним с номинальным напряжением питания в условиях полного отсутствия добавочного сопротивления на обмоточных цепях мотора. Несоответствие любому из заданных условий позволяет рассматривать характеристику в качестве искусственной.

ω = U я / k Ф – (R я + R д)/(k Ф)

Это же уравнение может быть представлено в форме ω = ω о.ид. – Δ ω, где:

ω о.ид. = U я /k Ф
ω о.ид – показатели угловой скорости холостого идеального хода
Δ ω = Мэм. [(R я +R д)/(k Ф)2]- снижение показателей угловой скорости под воздействием нагрузки на вал мотора при пропорциональном сопротивлении цепи якоря

Характеристики уравнения механического типа представлены стандартной устойчивостью, жесткостью и линейностью.

Заключение

Согласно применяемым механическим характеристикам любые ДПТ отличаются конструктивной простотой, доступностью и возможностью осуществлять регулировку частоты валового вращения, а также легкостью пуска ДПВ. Кроме прочего, такие устройства могут применяться в качестве генератора и обладают компактными габаритами, что хорошо нивелирует недостатки в виде быстро изнашиваемых графитовых щеток, высокой себестоимости и необходимости обязательно подключать токовые выпрямители.

Видео на тему

Создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения . Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть и .

Схема коллекторного двигателя с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора. КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

Преимущества:

лучшее соотношение цена/качество
высокий момент на низких оборотах
быстрый отклик на изменение напряжения

Недостатки:

постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:

Схема независимого возбуждения

Схема параллельного возбуждения

Схема последовательного возбуждения

Схема смешанного возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения U ОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы .

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

Преимущества:

практически постоянный момент на низких оборотах
хорошие регулировочные свойства
отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)

Недостатки:

дороже КДПТ ПМ
двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с , двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя .

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (I в = I а), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (I а &lt I ном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф ~ I а), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:

где M – , Н∙м,
с М – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
Ф – основной магнитный поток, Вб,
I a – ток якоря, А.

С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током I а и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом I а практически не увеличивается. График зависимости M=f(I a) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию .

Важно: Недопустимо включать двигатели последовательного возбуждения в сеть в режиме холостого хода (без нагрузки на валу) или с нагрузкой менее 25% от номинальной, так как при малых нагрузках частота вращения якоря резко возрастает, достигая значений, при которых возможно механическое разрушение двигателя, поэтому в приводах с двигателями последовательного возбуждения недопустимо применять ременную передачу, при обрыве которой двигатель переходит в режим холостого хода. Исключение составляют двигатели последовательного возбуждения мощностью до 100-200 Вт, которые могут работать в режиме холостого хода, так как их мощность механических и магнитных потерь при больших частотах вращения соизмерима с номинальной мощностью двигателя.

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную (рис. 29.12, а). Частота вращения этого двигателя

, (29.17)

где и – потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

Знак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки ), что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя. При встречном включении обмоток поток при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.

На рис. 29.12, б показаны рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласованном включении обмоток возбуждения, а на рис. 29.12, в – механические характеристики. В отличие от механических характеристик двигателя последовательного возбуждения последние имеют более пологий вид.

Рис. 29.12. Схема двигателя смешанного возбуждения (а), его рабочие (б) и механические (в) характеристики

Следует отметить, что по своей форме характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения в зависимости от того, в какой из обмоток возбуждения (параллельной или последовательной) преобладает МДС.

Двигатель смешанного возбуждения имеет преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки ограничивает частоту вращения двигателя в режиме х.х. и устраняет опасность «разноса». Регулировать частоту вращения этого двигателя можно реостатом в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим по сравнению с двигателями рассмотренных выше типов, что несколько ограничивает его применение. Двигатели смешанноговозбуждения применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (прокатные станы, грузовыеподъемники, насосы, компрессоры).

49. Пусковые и перегрузочные свойства двигателей постоянного тока.

Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 – 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 – 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.

Пусковой реостат выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением, разделенных на секции. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата. Реостаты могут иметь и другое выполнение. Ток возбуждения при пуске двигателя с параллельным возбуждением устанавливается соответствующим нормальной работе, цепь возбуждения включается прямо на напряжение сети, чтобы не было уменьшения напряжения, обусловленного падением напряжения в реостате (см. рис. 1).

Необходимость иметь нормальный ток возбуждения связана с тем, что при пуске двигатель должен развивать возможно больший допустимый момент Мэм, необходимый для обеспечения быстрого разгона. Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно – путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.

При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 -2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 – 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата. Ток якоря после включения двигателя при сопротивлении реостата rп составляет

где Uс – напряжение сети.

После включения начинается разгон двигателя, при этом возникает противо-ЭДС Е и уменьшается ток якоря. Если учесть, что механические характеристики n = f1(Mн) и n = f2 (Iя) практически линейны, то при разгоне увеличение скорости вращения будет происходить по линейному закону в зависимости от тока якоря (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока

Пусковая диаграмма (рис. 1) для различных сопротивлений в цепи якоря представляет собой отрезки линейных механических характеристик. При уменьшении тока якоря IЯ до значения Imin выключается секция реостата с сопротивлением r1 и ток возрастает до значения

где E1 – ЭДС в точке А характеристики; r1-сопротивление выключаемой секции.

Затем снова происходит разгон двигателя до точки В, и так далее вплоть до выхода на естественную характеристику, когда двигатель будет включен прямо на напряжение Uc. Пусковые реостаты рассчитаны по нагреву на 4 -6 пусков подряд, поэтому нужно следить, чтобы в конце пуска пусковой реостат был полностью выведен.

При остановке двигатель отключается от источника энергии, а пусковой реостат полностью включается – двигатель готов к следующему пуску. Для устранения возможности появления больших ЭДС самоиндукции при разрыве цепи возбуждения и при ее отключении цепь может замыкаться на разрядное сопротивление.

В регулируемых приводах пуск двигателей постоянного тока производится путем постепенного повышения напряжения источника питания так, чтобы ток при пуске поддерживался в требуемых пределах или сохранялся в течение большей части времени пуска примерно неизменным. Последнее можно осуществить путем автоматического управления процессом изменения напряжения источника питания в системах с обратными связями.

Пуск и Остановка МПТ

Прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 – 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 – 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.

Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно – путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.

Торможение необходимо для того, чтобы уменьшить время выбега двигателей, которое при отсутствии торможения может быть недопустимо велико, а также для фиксации приводимых механизмов в определенном положении. Механическое торможение двигателей постоянного тока обычно производится при наложении тормозных колодок на тормозной шкив. Недостатком механических тормозов является то, что тормозной момент и время торможения зависят от случайных факторов: попадания масла или влаги на тормозной шкив и других. Поэтому такое торможение применяется, когда не ограничены время и тормозной путь.

В ряде случаев после предварительного электрического торможения при малой скорости можно достаточно точно произвести остановку механизма (например, подъемника) в заданном положении и зафиксировать его положение в определенном месте. Такое торможение применяется и в аварийных случаях.

Электрическое торможение обеспечивает достаточно точное получение требуемого тормозящего момента, но не может обеспечить фиксацию механизма в заданном месте. Поэтому электрическое торможение при необходимости дополняется механическим, которое входит в действие после окончания электрического.

Электрическое торможение происходит, когда ток протекает согласно с ЭДС двигателя. Возможны три способа торможения.

Торможение двигателей постоянного тока с возвратом энергии в сеть. При этом ЭДС Е должна быть больше напряжения источника питания UС и ток будет протекать в направлении ЭДС, являясь током генераторного режима. Запасенная кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и частично возвращаться в сеть. Схема включения показана на рис. 2, а.

Рис. 2. Схемы электрического торможения двигателей постоянного тока: я – с возвратом энергии в сеть; б – при противовключении; в – динамическое торможение

Торможение двигателя постоянного тока может быть выполнено, когда уменьшается напряжение источника питания так, что Uc

Торможение при противовключении выполняется путем переключения вращающегося двигателя на обратное направление вращения. При этом ЭДС Е и напряжение Uc в якоре складываются, и для ограничения тока I следует включать резистор с начальным сопротивлением

где Imах – наибольший допустимый ток.

Торможение связано с большими потерями энергии.

Динамическое торможение двигателей постоянного тока выполняется при включении на зажимы вращающегося возбужденного двигателя резистора rт (рис. 2, в). Запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рассеивается в цепи якоря как тепловая. Это наиболее распространенный способ торможения.

Схемы включения двигателя постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения: а – схема включения двигателя, б – схема включения при динамическом торможении, в – схема для противовключения.

Переходные процессы в МПТ

В общем случае в электрической цепи переходные процессы могут возникать, если в цепи имеются индуктивные и емкостные элементы, обладающие способностью накапливать или отдавать энергию магнитного или электрического поля. В момент коммутации, когда начинается переходный процесс, происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергия безвозвратно преобразуется в другие виды энергий (например, в тепловую на активном сопротивлении).

После окончания переходного процесса устанавливается новый установившийся режим, который определяется только внешними источниками энергии. При отключении внешних источников энергии переходный процесс может возникать за счет энергии электромагнитного поля, накопленной до начала переходного режима в индуктивных и емкостных элементах цепи.

Изменения энергии магнитного и электрического полей не могут происходить мгновенно, и, следовательно, не могут мгновенно протекать процессы в момент коммутации. В самом деле, скачкообразное (мгновенное) изменение энергии в индуктивном и емкостном элементе приводит к необходимости иметь бесконечно большие мощности p = dW/dt, что практически невозможно, ибо в реальных электрических цепях бесконечно большой мощности не существует.

Таким образом, переходные процессы не могут протекать мгновенно, так как невозможно в принципе мгновенно изменять энергию, накопленную в электромагнитном поле цепи. Теоретически переходные процессы заканчиваются за время t→∞. Практически же переходные процессы являются быстропротекающими, и их длительность обычно составляет доли секунды. Так как энергия магнитного W М и электрического полей W Э описывается выражениями

то ток в индуктивности и напряжение на емкости не могут изменяться мгновенно. На этом основаны законы коммутации.

Первый закон коммутации состоит в том, что ток в ветви с индуктивным элементом в начальный момент времени после коммутации имеет то же значение, какое он имел непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения он начинает плавно изменяться. Сказанное обычно записывают в виде i L (0 -) = i L (0 +), считая, что коммутация происходит мгновенно в момент t = 0.

Второй закон коммутации состоит в том, что напряжение на емкостном элементе в начальный момент после коммутации имеет то же значение, какое оно имело непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения оно начинает плавно изменяться: U C (0 -) = U C (0 +).

Следовательно, наличие ветви, содержащей индуктивность, в цепи, включаемой под напряжение, равносильно разрыву цепи в этом месте в момент коммутации, так как i L (0 -) = i L (0 +). Наличие в цепи, включаемой под напряжение, ветви, содержащей разряженный конденсатор, равносильно короткому замыканию в этом месте в момент коммутации, так как U C (0 -) = U C (0 +).

Однако в электрической цепи возможны скачки напряжений на индуктивностях и токов на емкостях.

В электрических цепях с резистивными элементами энергия электромагнитного поля не запасается, вследствие чего в них переходные процессы не возникают, т.е. в таких цепях стационарные режимы устанавливаются мгновенно, скачком.

В действительности любой элемент цепи обладает каким-то сопротивлением r, индуктивностью L и емкостью С, т.е. в реальных электротехнических устройствах существуют тепловые потери, обусловленные прохождением тока и наличием сопротивления r, а также магнитные и электрические поля.

Переходные процессы в реальных электротехнических устройствах можно ускорять или замедлять путем подбора соответствующих параметров элементов цепей, а также за счет применения специальных устройств

52. Магнитогидродинамические машины постоянного тока. Магнитная гидродинамика (МГД) является областью науки, изучающей законы физических явлений в электропроводящих жидких и газовых средах при их движении в магнитном поле. На этих явлениях основан принцип действия различных магнитогидродинамических (МГД) машин постоянного и переменного тока. Некоторые МГД машины находят применение в различных областях техники, а другие имеют значительные перспективы применения в будущем. Ниже рассматриваются принципы устройства и действия МГД машин постоянного тока.

Электромагнитные насосы для жидких металлов

Рисунок 1. Принцип устройства электромагнитного насоса постоянного тока

В насосе постоянного тока (рисунок 1) канал 2 с жидким металлом помещается между полюсами электромагнита 1 и с помощью электродов 3, приваренных к стенкам канала, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Так как ток к жидкому металлу в данном случае подводится кондуктивным путем, то такие насосы называются также кондукционными.

При взаимодействии поля полюсов с током в жидком металле на частицы металла действуют электромагнитные силы, развивается напор и жидкий металл приходит в движение. Токи в жидком металле искажают поле полюсов (“реакция якоря”), что приводит к снижению эффективности насоса. Поэтому в мощных насосах между полюсными наконечниками и каналом помещаются шины (“компенсационная обмотка”), которые включаются последовательно в цепь тока канала во встречном направлении. Обмотка возбуждения электромагнита (на рисунке 1 не показана) обычно включается последовательно в цепь тока канала и имеет при этом только 1 – 2 витка.

Применение кондукционных насосов возможно для малоагрессивных жидких металлов и при таких температурах, когда стенки канала можно изготовить из жаропрочных металлов (немагнитные нержавеющие стали и так далее). В противном случае более подходящими являются индукционные насосы переменного тока.

Насосы описанного типа стали находить применение около 1950 года в исследовактельских целях и в таких установках с ядерными реакторами, в которых для отвода тепла из реакторов используются жидкометаллические носители: натрий, калий, их сплавы, висмут и другие. Температура жидкого металла в насосах при этом составляет 200 – 600 °С, а в некоторых случаях до 800 °С. Один из выполненных насосов для натрия имеет следующие расчетные данные: температура 800 °С, напор 3,9 кгс/см², расход 3670 м³/ч, полезная гидравлическая мощность 390 кВт, потребляемый ток 250 кА, напряжение 2,5 В, потребляемая мощность 625 кВт, коэффициент полезного действия 62,5 %. Другие характерные данные этого насоса: сечение канала 53 × 15,2 см, скорость течения в канале 12,4 м/с, активная длина канала 76 см.

Преимущество электромагнитных насосов состоит в том, что они не имеют движущихся частей и тракт жидкого металла может быть герметизирован.

Насосы постоянного тока требуют для питания источников с большой силой тока и малым напряжением. Для питания мощных насосов выпрямительные установки малопригодны, так как они получаются громоздкими и с малым коэффициентом полезного действия. Более подходящими в этом случае являются униполярные генераторы, смотрите статью “Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока”.

Плазменные ракетные двигатели

Рассмотренные электромагнитные насосы являются своеобразными двигателями постоянного тока. Подобные устройства в принципе пригодны также для разгона, ускорения или перемещения плазмы, то есть высокотемпературного (2000 – 4000 °С и больше) ионизированного и поэтому электропроводящего газа. В связи с этим производится разработка реактивных плазменных двигателей для космических ракет, причем ставится задача получения скоростей истечения плазмы до 100 км/с. Такие двигатели не будут обладать большой силой тяги и поэтому будут пригодны для работы вдали от планет, где поля тяготения слабы; однако они имеют то преимущество, что массовый расход вещества (плазмы) мал. Необходимую для их питания электрическую энергию предполагается получать с помощью ядерных реакторов. Для плазменных двигателей постоянного тока трудную проблему составляет создание надежных электродов для подвода тока к плазме.

Магнитогидродинамические генераторы

МГД машины, как и всякие электрические машины, обратимы. В частности, устройство, изображенное на рисунке 1, может работать также в режиме генератора, если через него прогонять проводящую жидкость или газ. При этом целесообразно иметь независимое возбуждение. Генерируемый ток снимается с электродов.

На таком принципе строятся электромагнитные расходомеры воды, растворов щелочей и кислот, жидких металлов и тому подобного. Электродвижущая сила на электродах при этом пропорциональна скорости движения или расходу жидкости.

МГД генераторы представляют интерес с точки зрения создания мощных электрических генераторов для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Для этого через устройство вида, изображенного на рисунке 1, необходимо пропускать со скоростью порядка 1000 м/с проводящую плазму. Такую плазму можно получить при сжигании обычного топлива, а также путем нагревания газа в ядерных реакторах. Для увеличения проводимости плазмы в нее можно вводить небольшие присадки легко ионизируемых щелочных металлов.

Электропроводность плазмы при температурах порядка 2000 – 4000 °С относительно мала (удельное сопротивление около 1 Ом × см = 0,01 Ом × м = 104 Ом × мм² / м, то есть примерно в 500 000 раз больше, чем у меди). Тем не менее в мощных генераторах (порядка 1 млн. кВт) возможно получение приемлемых технико-экономических показателей. Разрабатываются также МГД генераторы с жидкометаллическим рабочим телом.

При создании плазменных МГД генераторов постоянного тока возникают трудности с выбором материалов для электродов и с изготовлением надежных в работе стенок каналов. В промышленных установках также сложную задачу представляет собой преобразование постоянного тока относительно низкого напряжения (несколько тысяч вольт) и большой силы (сотни тысяч ампер) в переменный ток.

53. Униполярные машины. Первыйлярный генератор изобрел Майкл Фарадей. Суть эффекта, открытого Фарадеем, заключается в том, что при вращении диска в поперечном магнитном поле, на электроны в диске действует сила Лоренца, которая смещает их к центру или к периферии, в зависимости от направления поля и вращения. Благодаря этому, возникает электродвижущая сила, и через токосъемные щетки, касающиеся оси и периферии диска, можно снимать значительный ток и мощность, хотя напряжение небольшое (обычно, доли Вольта). Позднее, было обнаружено, что относительное вращение диска и магнита не является необходимым условием. Два магнита и токопроводящий диск между ними, вращающиеся вместе, также показывают наличие эффекта униполярной индукции. Магнит, сделанный из электропроводящего материала, при вращении, также может работать, в качестве униполярного генератора: он сам является и диском с которого щетками снимаются электроны, и он же является источником магнитного поля. В связи с этим, принципы униполярной индукции развиваются в рамках концепции движения свободных заряженных частиц относительно магнитного поля, а не относительно магнитов. Магнитное поле, в таком случае, считается неподвижным.

Споры о таких машинах шли долго. Понять, что поле есть свойство «пустого» пространства, физики, отрицающие существование эфира, не могли. Это правильно, поскольку «пространство не пустое», в нем есть эфир, и именно он обеспечивает среду существования магнитного поля, относительно которого вращаются и магниты, и диск. Магнитное поле можно понимать, как замкнутый поток эфира. Поэтому, относительное вращение диска и магнита не является обязательным условием.

В работах Тесла, как мы уже отмечали, были сделаны усовершенствования схемы (увеличен размер магнитов, а диск сегментирован), что позволяет создавать самовращающиеся униполярные машины Тесла.

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря (рис. 29.9, а ), поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки I = I a = I в . При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока от тока нагрузки прямо пропорциональна, т. е. Ф = k ф I a (k ф — коэффициент пропорциональности). В этом случае найдем электромагнитный момент:

Формула частоты вращения примет вид

На рис. 29.9, б представлены рабочие характеристики M = F(I) и n= (I) двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигателя приобретают почти прямолинейный характер. Характеристика частоты вращения двигателя последовательного возбуждения показывает, что частота вращения двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такую характеристику принято называть мягкой.

Рис. 29.9. Двигатель последовательного возбуждения:

а – принципиальная схема; б – рабочие характеристики; в – механические характеристики; 1 – естественная характеристика; 2 – искусственная характеристика

При уменьшении нагрузки двигателя последовательного возбуждения частота вращения резко увеличивается и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опасных для двигателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима.

Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты и зубчатой передачи. Применение ременной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя. Учитывая возможность работы двигателя на повышенных частотах вращения, двигатели последовательного возбуждения, согласно ГОСТу, подвергают испытанию в течение 2 мин на превышение частоты вращения на 20% сверх максимальной, указанной на заводском щите, но не меньше чем на 50% сверх номинальной.

Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения n=f(M) представлены на рис. 29.9, в. Резко падающие кривые механических характеристик (естественная 1 и искусственная 2 ) обеспечивают двигателю последовательного возбуждения устойчивую работу при любой механической нагрузке. Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте, а также в качестве крановых двигателей в подъемных установках, т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал двигателя с малой частотой вращения.

Номинальное изменение частоты вращения двигателя последовательного возбуждения

где n – частота вращения при нагрузке двигателя, составляющей 25% от номинальной.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения U, либо магнитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат R рг (рис. 29.10, а ). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вращения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощности двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в R рг . Кроме того, реостат R рг , рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга (рис. 29.10, б ). Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух двигателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей возможно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.

Изменение подводимого к двигателю напряжения возможно при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением (например, по схеме, аналогичной рис. 29.6, а ). При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 29.11).

Рис. 29.11. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при изменении подводимого напряжения

Регулировать частоту вращения двигателя изменением магнитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом r рг , секционированием обмотки возбуждения и шунтированием обмотки якоря реостатом r ш . Включение реостата r рг , шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 29.10, в ), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к снижению тока возбуждения I в = I a — I рг , а следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а ), применяется чаще и оценивается коэффициентом регулирования

Обычно сопротивление реостата r рг принимается таким, чтобы k рг >= 50% .

При секционировании обмотки возбуждения (рис. 29.10, г ) отключение части витков обмотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунтировании обмотки якоря реостатом r ш (см. рис. 29.10, в ) увеличивается ток возбуждения I в = I a +I рг , что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.

Рис. 29.10. Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения.

Двигатель последовательного возбуждения и его характеристики. Электромеханические характеристики двигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Модели независимого возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения

, (29.17)

где и – потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

Рис. 29.12. Схема двигателя смешанного возбуждения (а), его рабочие (б) и механические (в) характеристики

49. Пусковые и перегрузочные свойства двигателей постоянного тока.

где Uс – напряжение сети.

Рис. 1. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока

где E1 – ЭДС в точке А характеристики; r1-сопротивление выключаемой секции.

Пуск и Остановка МПТ

где Imах – наибольший допустимый ток.

Торможение связано с большими потерями энергии.

Переходные процессы в МПТ

Однако в электрической цепи возможны скачки напряжений на индуктивностях и токов на емкостях.

Электромагнитные насосы для жидких металлов

Рисунок 1. Принцип устройства электромагнитного насоса постоянного тока

Плазменные ракетные двигатели

Магнитогидродинамические генераторы

Особенности конструкции

С конструктивной точки зрения все виды ДПТ представлены:

роторной или якорной частью в виде большого количества катушечных элементов, покрытых специальной токопроводящей обмоткой;
статичным индуктором в виде стандартной станины, дополненной несколькими магнитными полюсами;
функциональным щеточным коллектором цилиндрической формы, располагающимся на валу и имеющим медную пластинчатую изоляцию;
статично зафиксированными контактными щетками, используемыми с целью подведения достаточного количества электротока на роторную часть.

Принцип функционирования

Принцип действия двигателя постоянного тока

Механическая характеристика

независимого типа, при котором обмоточное питание определяется независимым источником энергии;
последовательного типа, при котором подключение якорной обмотки выполняется в последовательном направлении с обмоточным элементом возбуждения;
параллельного типа, при котором роторная обмотка подключается в электрической цепи в параллельном для источника питания направлении;
смешанного типа, основанном на наличии нескольких последовательных и параллельных обмоточных элементов.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ

Модели независимого возбуждения

Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением

Линейная механическая характеристика при независимом типе возбуждения:

ω – показатели вращательной частоты;
U – показатели напряжения на эксплуатируемой якорной цепи;
Ф – параметры магнитного потока;
R я и R д – уровень якорного и добавочного сопротивления;
Α – константа конструкции движка.

Данным типом уравнения определяется зависимость вращательной скорости мотора к моменту вала.

Модели последовательного возбуждения

Механические характеристики при последовательном и смешанном возбуждении

При использовании последовательного типа возбуждения:

n 0 – показатели частоты вращения вала в условиях холостого хода;
Δ n – показатели изменения частоты вращения в условиях механической нагрузки.

Модели смешанного возбуждения

В условиях смешанного типа возбуждения:

Двигатель смешанного возбуждения

Уравнение механической характеристики

ω = U я / k Ф – (R я + R д)/(k Ф)

Это же уравнение может быть представлено в форме ω = ω о.ид. – Δ ω, где:

ω о.ид. = U я /k Ф
ω о.ид – показатели угловой скорости холостого идеального хода
Δ ω = Мэм. [(R я +R д)/(k Ф)2]- снижение показателей угловой скорости под воздействием нагрузки на вал мотора при пропорциональном сопротивлении цепи якоря

Заключение

Видео на тему

В рассматриваемых двигателях постоянного тока обмотка возбуждения включается (рис.7.1) последовательно с обмоткой якоря, в результате чего ток возбуждения равен току якоря и создаваемый им поток будет

(7.1)

З
десь а – нелинейный коэффи-циент
; нелинейность этого коэффициента связана с формой кривой намагничивания и размагничивающим действием реак-ции якоря; оба этих фактора проявляются при больших токах
; при малых токах якоря коэффициент а можно считать величиной постоянной; при токах якоря
машина насыщается, и величина потока мало зависит от тока якоря. Соотношение 7.1 определяет свое-образие электромеханических характеристик двигателя постоян-ного тока последовательного возбуждения.

Для изменения направления вращения двигателя последова-тельного возбуждения недостаточ-но изменить полярность напряже-ния, подводимого к двигателю, т.к. при этом изменится одновременно и направление тока в обмотке якоря и полярность потока воз-буждения. Поэтому для реверси-рования двигателя нужно изменить направление тока в одной из частей машины, например в обмотке возбуждения, оставив направление тока в обмотке якоря неизменным, как это показано на схеме рис.7.2.

Подставив (7.1) в (6.2) и (6.3), получим основные соотношения для рассматриваемых двигателей.

(7.2)

(7.3)

Соответственно, выражение для электромеханической и механической характеристик двигателя последовательного возбуждения будут:

; (7.4)

В
первом приближении механическую характерис-тику двигателя постоянно-го тока последовательного возбуждения, если не учитывать насыщение магнит-ной цепи, можно предста-вить в виде гиперболы, не пересекающей ось орди-нат, а асимптотически при-ближающуюся к ней. Если положить (R Я + R в )=0, то характеристика (см. рис. 7.3) не будет пересекать и ось абсцисс. Такая характерис-тика называется «идеаль-ной»; выше нее характеристики быть не могут. Реальная естественная характеристика пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей току короткого замыкания (момент М к ). Если учитывать насыщение двигателя, то при моментах меньших 0,8М к характеристика криволинейна и носит гиперболический характер; при больших значениях тока и момента поток вследствие насыщения становится постоянным и характеристика выпрямляется.

Характерной особенностью характеристик двигателя последовательного возбуждения является отсутствие точки идеального холостого хода. При уменьшении нагрузки скорость двигателя существенно возрастает, вследствие чего оставлять двигатель без нагрузки недопустимо.

Важным достоинством двигателей последовательного возбуждения является большая перегрузочная способность на низких скоростях. При перегрузке по току в 2,25-2,5 раза двигатель развивает момент 3,0-3,5 номинального. Это обстоятельство определило широкое использование двигателей последовательного возбуждения для электрических транспортных средств, где наибольшие моменты необходимы при трогании с места. Вторым важным достоинством двигателей последовательного возбуждения является отсутствие источника питания для цепи возбуждения двигателя.

Искусственные механические характеристики могут быть получены тремя способами: включением добавочного сопротивления в цепь якоря, изменением величины питающего напряжения и шунтированием обмотки якоря добавочным сопротивлением.

При введении добавочного сопротивления в цепь якоря жесткость механических характеристик уменьшается и уменьшается значение М к (см.рис.7.4). Этот способ регулирования используется при пуске двигателя, когда ступени сопротивления перемыкаются пусковыми контакторами. На рис.7.4. показаны пусковые характеристики, соответствующие двухступенчатой схеме пуска. Длительная работа на реостатных характеристиках сопряжена со значительными потерями энергии в сопротивлениях.

Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение величины подводимого к двигателю напряжения. Механические характеристики, соответствующие этому способу регулирования, показаны на рис.7.5. По мере уменьшения напряжения они смещаются вниз от естественной характеристики. Внешне искусственные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулировании изменением напряжения дополнительные потери отсутствуют.

Д
вигатели последо-вательного возбуждения часто получают питание от сети постоянного тока или источника постоянного то-ка с нерегулируемой вели-чиной напряжения. Регули-рование напряжения на за-жимах двигателя в этом случае целесообразно про-изводить способом широт-но-импульсного регулирования, который был рассмотрен в §6.3. Упрощенная схема регулируемого электропривода с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения и широтно-импульсным регулятором напряжения показана на рис.7.6.

Изменение потока возбуждения в рассматриваемых двигателях возможно, если зашунтировать обмотку якоря сопротивлением (см.рис.7.7а). В этом случае ток возбуждения будет равен

т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от нагрузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения: независимого и последовательного. Благодаря независимому возбуждению механические характеристики приобретают большую жесткость и пересекают ось ординат. Примерные механические характеристики для этого способа регулирования показаны на рис.7.7б. Шунтирование якоря позволяет получить устойчивую пониженную скорость при отсутствии нагрузки на валу двигателя. В данной схеме возможен переход двигателя в режим рекуперативного торможения при скорости
или
. Существенным недостатком рассматриваемого способа регулирования является его неэкономичность, обусловленная большими потерями энергии в шунтирующем сопротивлении.

Д
ля двигателей последовательного возбуждения характерны два режима торможения: противовключением и динамический. В режиме противовключения необходимо включение добавочного сопротивления в цепь яко-ря двигателя. На рис.7.8 показаны механические характеристики для двух вариантов режима противовключения. Характерис-тика 1 получается, если при работе двигателя в на-правлении «вперед» (точ-ка «в») изменить направление тока в обмотке возбуждения и одновре-менно ввести в цепь двигателя добавочное сопро-тивление. При этом дви-гатель переходит в режим противовключения в точке «а» с тормозным моментом М торм , под действием которого будет происходить торможение двигателя.

Второй случай режима противовключения возникает в режиме «протягивающего груза», когда в грузоподъемных механизмах производится спуск груза, а для подтормаживания спускаемого груза двигатель включается в направлении его подъема. При этом благодаря тому, что в цепь двигателя включено большое добавочное сопротивление (которому соответствует характеристика 2), двигатель под действием момента, создаваемого грузом, вращается в обратном направлении и будет работать в точке «б», в которой активный статический момент М груза уравновешивается тормозным моментом двигателя, работающего в режиме противовключения. Режим противовключения сопряжен со значительными потерями энергии в цепи двигателя и добавочного сопротивления.

Режим динамического торможения для двигателей последовательного возбуждения возможен в двух вариантах. В первом – якорь двигателя замыкается на сопротивление, а обмотка возбуждения питается от сети через добавочное сопротивление. Характеристики двигателя в этом режиме подобны характеристикам двигателя независимого возбуждения в режиме динамического торможения.

В

о втором варианте, схема ко-торого показана на рис.7.9, дви-гатель работает как генератор с самовозбуждением. Особенность данной схемы состоит в том, что необходимо при переходе из дви-гательного режима в режим дина-мического торможения сохранить направление тока в обмотке возбуждения во избежание размагничивания машины. При размыкании контактора КМ ток в обмотке возбуждения становится равным нулю, но, так как магнитопровод машины был намагничен, то сохраняется остаточный поток возбуждения, благодаря которому в обмотке якоря вращающегося двигателя наводится э.д.с., под действием которой при замыкании контактов КВ в цепи: обмотка якоря – обмотка возбуждения – сопротивление R протекает ток, и машина самовозбуждается. Этот процесс происходит, если скорость двигателя будет больше граничной скорости
. Механические характеристики в режиме динамического торможения с самовозбуждением показаны на рис.7.10.

Режим рекуперативного торможения в обычной схеме включения двигателя последовательного возбуждения невозможен. Для его осуществления необходимо шунтирование якоря двигателя, либо применение отдельной дополнительной обмотки независимого возбуждения.

Формула частоты вращения примет вид

Рис. 29.9. Двигатель последовательного возбуждения:

Номинальное изменение частоты вращения двигателя последовательного возбуждения

где n – частота вращения при нагрузке двигателя, составляющей 25% от номинальной.

Обычно сопротивление реостата r рг принимается таким, чтобы k рг >= 50% .

Рис. 29.10. Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения.

Характерной особенностью ДПТ с ПВ является то, что его обмотка возбуждения (ПОВ) с сопротивлением посредством щеточно-коллекторного узла последовательно соединена с обмоткой якоря с сопротивлением, т.е. в таких двигателях возможно только электромагнитное возбуждение.

Принципиальная электрическая схема включения ДПТ с ПВ представлена на рис.3.1.

Рис. 3.1.

Для осуществления пуска ДПТ с ПВ последовательно с его обмотками включается добавочный реостат.

Уравнения электромеханической характеристики ДПТ с ПВ

Ввиду того, что в ДПТ с ПВ ток обмотки возбуждения равен току в обмотке якоря, в таких двигателях в отличие от ДПТ с НВ проявляются интересные особенности.

Поток возбуждения ДПТ с ПВ связан с током якоря (он же является и током возбуждения) зависимостью, называемой кривой намагничивания, представленной на рис. 3.2.

Как видно зависимость для малых токов близка к линейной, а с увеличением тока проявляется нелинейность, связанная с насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ. Уравнение электромеханической характеристики ДПТ с ПВ так же и для ДПТ с независимым возбуждением имеет вид:

Рис. 3.2.

Из-за отсутствия точного математического описания кривой намагничивания, при упрощенном анализе можно пренебречь насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ, т. е. принять зависимость между потоком и током якоря линейной, как это показано на рис. 3.2 пунктирной линией. В этом случае можно записать:

где – коэффициент пропорциональности.

Для момента ДПТ с ПВ с учетом (3.17) можно записать:

Из выражения (3.3) видно, что в отличие от ДПТ с НВ у ДПТ с ПВ электромагнитный момент зависит от тока якоря не линейно, а квадратично.

Для тока якоря можно в этом случае записать:

Если подставить выражение (3.4) в общее уравнение электромеханической характеристики (3.1), то можно получить уравнение для механической характеристики ДПТ с ПВ:

Отсюда следует, что при ненасыщенной магнитной системе механическая характеристика ДПТ с ПВ изображается (рис. 3.3) кривой, для которой ось ординат является асимптотой.

Рис. 3.3.

Значительное увеличение скорости вращения двигателя в области малых нагрузок обуславливается соответствующим снижением величины магнитного потока.

Уравнение (3.5) является оценочным, т.к. получено при допущении о ненасыщенности магнитной системы двигателя. На практике по экономическим соображениям электродвигатели рассчитываются с определенным коэффициентом насыщения и рабочие точки лежат в районе колена перегиба кривой намагничивания.

В целом, анализируя уравнение механической характеристики (3.5), можно сделать интегральный вывод о «мягкости» механической характеристики, проявляющейся в резком уменьшении скорости при увеличении момента на валу двигателя.

Если рассматривать механическую характеристику, изображенную на рис. 3.3 в области малых нагрузок на валу, то можно сделать вывод, что понятие скорости идеального холостого хода для ДПТ с ПВ отсутствует, т. е. при полном сбросе момента сопротивления двигатель идет в «разнос». При этом его скорость теоретически стремится к бесконечности.

С увеличением нагрузки скорость вращения падает и равняется нулю при значении момента короткого замыкания (пускового):

Как видно из (3.21) у ДПТ с ПВ пусковой момент при отсутствии насыщения пропорционален квадрату тока короткого замыкания- При конкретных расчетах пользоваться оценочным уравнением механической характеристики (3.5) нельзя. В этом случае построение характеристик приходится вести графо-аналитическими способами. Как правило, построение искусственных характеристик производится на основании данных каталогов, где приводятся естественные характеристики: и.

Реальный ДПТ с ПВ

В реальном ДПТ с ПВ вследствие насыщения магнитной системы но мере увеличения нагрузки на валу (а, следовательно, и тока якоря) в области больших моментов, наблюдается прямая пропорциональность между моментом и током, поэтому механическая характеристика становится там практически линейной. Это относится как к естественной, так и к искусственным механическим характеристикам.

Кроме того, в реальном ДПТ с ПВ даже в режиме идеального холостого хода существует остаточный магнитный поток, вследствие чего скорость идеального холостого хода будет иметь конечную величину и определяться выражением:

Но так как величина незначительна, то может достигать значительных величин. Поэтому у ДПТ с ПВ, как правило, запрещается сбрасывать нагрузку на валу более чем на 80% отноминальной.

Исключением являются микродвигатели, у которых и при полном сбросе нагрузки остаточный момент трения достаточно велик для того, чтобы ограничить скорость холостого хода. Склонность ДПТ с ПВ идти в «разнос» ведет к тому, что их роторы выполняются механически усиленными.

Сравнение пусковых свойств двигателей с ПВ и НВ

Как следует из теории электрических машин, двигатели рассчитываются на конкретный номинальный ток. При этом ток короткого замыкания не должен превышать значения

где – коэффициент перегрузки по току, который обычно лежит в диапазоне от 2 до 5.

В случае, если имеются два двигателя постоянного тока: один с независимым возбуждением, а второй с последовательным возбуждением, рассчитанные на одинаковый ток, то допустимый ток короткого замыкания у них также будет одинаковым, в то время как пусковой момент у ДПТ с НВ будет пропорционален току якоря в первой степени:

а у идеализированного ДПТ с ПВ согласно выражению (3.6) квадрату тока якоря;

Из этого следует, что при одинаковой перегрузочной способности пусковой момент ДПТ с ПВ превосходит пусковой момент ДПТ с НВ.

Ограничение величины

При прямом пуске двигателя ударные значения тока, поэтому обмотки двигателя могут быстро перегреться и выйти из строя, кроме того большие токи негативно влияют и на надежность щеточно-коллекторного узла.

(Оказанное обуславливает необходимость ограничения до какой-либо приемлемой величины либо введением в якорную цепь дополнительного сопротивления, либо уменьшением питающего напряжения.

Величина максимально допустимого тока определяется коэффициентом перегрузки.

Для микродвигателей обычно осуществляется прямой пуск без добавочные сопротивлений, но с ростом габаритов ДПТ необходимо производить реостатный пуск. особенно, если привод с ДПТ с ПВ используется в нагруженных режимах с частыми пусками и торможениями.

Способы регулирования угловой скорости вращения ДПТ с ПВ

Как следует из уравнения электромеханической характеристики (3.1) угловую скорость вращения можно регулировать, как и у ДПТ с НВ, изменением, и.

Регулирование скорости вращения изменением питающего напряжения

Как следует из выражения механической характеристики (3.1) при изменении питающего напряжения можно получить семейство механические характеристик, изображенных на рис. 3.4. При этом величина напряжения питания регулируется, как правило, при помощи тиристорных преобразователей напряжения или систем «Генератор-двигатель».

Рис 3.4. Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях напряжения питания якорной цепи

Диапазон регулирования скорости разомкнутых систем не превышает 4:1, но при введении обратных связей он может быть на несколько порядков выше. Регулирование угловой скорости вращения в этом случае осуществляется вниз от основной (основной скоростью называется скорость, соответствующая естественной механической характеристике). Достоинством способа является высокий КПД.

Регулирование угловой скорости вращения ДПТ с ПВ введением последовательного добавочного сопротивления в цепь якоря

Как следует из выражения (3.1) последовательное введение добавочного сопротивления изменяет жесткость механических характеристик и также обеспечивает регулирование угловой скорости вращение идеального холостого хода.

Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ для различных значений добавочного сопротивления (рис. 3.1) представлено на рис. 3.5.

Рис. 3.5 Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях последовательного добавочного сопротивления

Регулирование осуществляется вниз от основной скорости.

Диапазон регулирования при этом обычно не превышает 2,5:1 и зависит от нагрузки. Регулирование при этом целесообразно проводить при постоянном моменте сопротивления.

Достоинством данного способа регулирования является его простота, а недостатком большие потери энергии на добавочном сопротивлении.

Этот способ регулирования нашел широкое применение в крановых и тяговых электроприводах.

Регулирование угловой скорости вращения

изменением потока возбуждения

Так как у ДПТ с ПВ обмотка якоря двигателя последовательно связана с обмоткой возбуждения, то для изменения величины потока возбуждения необходимо зашунтировать обмотку возбуждения реостатом (рис. 3.6), изменения положения которого влияет на ток возбуждения. Ток возбуждения в этом случае определяется как разность между током якоря и током в шунтирующем сопротивлении. Так в предельных случаях при? и при.

Рис. 3.6.

Регулирование осуществляется в этом случае вверх от основной угловой скорости вращения, вследствие уменьшения величины магнитного потока. Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ для различных значений шунтирующего реостата представлено на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Механические характеристики ДПВ с ПВ при различных значениях шунтирующего сопротивления

С уменьшением величины возрастает. Данный способ регулирования является достаточно экономичным, т.к. величина сопротивления последовательной обмотки возбуждения мала и, соответственно, величина также выбирается малой.

Потери энергии в этом случае примерно такие же, как у ДПТ с НВ при регулировании угловой скорости изменением потока возбуждения. Диапазон регулирования при этом, как правило, не превышает 2:1 при постоянной нагрузке.

Способ находит применение в электроприводах требующих ускорения при малых нагрузках, например, в безмаховиковых ножницах блюмингов.

Все перечисленные выше способы регулирования характеризуются отсутствием конечной угловой скорости вращения идеального холостого хода, но необходимо знать, что существуют схемотехнические решения, позволяющие получать конечные значения.

Для этого шунтируются реостатами обе обмотки двигателя или только обмотка якоря. Эти способы неэкономичны в энергетическом отношении, но позволяют достаточно кратковременно получать характеристики повышенной жесткости с малыми конечными скоростями идеального холостого хода. Диапазон регулирования при этом не превышает 3:1, а регулирование скорости осуществляется вниз от основной. При переходе в генераторный режим в этом случае ДПТ с ПВ не отдает энергию в сеть, а работает генератором замкнутым на сопротивление.

Необходимо отметить, что в автоматизированных электроприводах величина сопротивления регулируется, как правило, импульсным методом периодическим шунтированием полупроводниковым вентилем сопротивлений или с определенной скважностью.

Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением

Изобретение относится к области электротехники, в частности – к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам с электромагнитной редукцией частоты вращения и к высокочастотным электрическим генераторам. Предлагаемая электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением содержит статор с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, m-фазная сосредоточенная обмотка якоря которого состоит из катушек, каждая катушка охватывает соответствующий полюс якоря, и безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор, содержащий нечетные и четные сердечники индуктора, число которых не менее двух, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных в тангенциальном направлении на половину зубцового деления индуктора, между нечетными и четными сердечниками индуктора расположены кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через контактные кольца и щетки. При этом выполняются определенные соотношения между числом полюсов якоря, числом элементарных зубцов на полюсе якоря, числом полюсов якоря в фазе, общим числом зубцов якоря, числом зубцов на каждом сердечнике индуктора и числом фаз обмотки якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением. Технический результат от использования данного изобретения состоит в достижении высоких энергетических и эксплуатационных показателей, большого удельного вращающего момента на валу и высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя, а также большой удельной мощности при высоких частотах ЭДС в режиме электрического генератора. 15 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам с электромагнитной редукцией частоты вращения и высокочастотным электрическим генераторам.

Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с.). Якорь выполняется неявнополюсным, несущим трехфазную распределенную разноименнополюсную р-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименнополюсную р-периодную обмотку возбуждения. Электрическая связь с источником питания осуществляется непосредственно и при помощи щеточно-контактного узла. Наибольшее распространение получили синхронные машины, у которых обмотка якоря подключается к нагрузке (в режиме генератора) или к источнику трехфазного напряжения (в режиме двигателя) непосредственно, а обмотка возбуждения индуктора соединена с контактными кольцами и подключается к постоянному источнику напряжения через скользящие контакты при помощи щеток. Синхронные машины малой мощности могут изготавливаться и в обращенном исполнении, когда электрический контакт с обмоткой возбуждения осуществляется непосредственно, а с обмоткой якоря – через щеточно-контактный узел. Недостатком этих электрических машин является сложность выполнения распределенной обмотки якоря. Применение в этих машинах распределенной обмотки якоря снижает их надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой якоря. Кроме этого, синхронные машины данного класса в режиме двигателя имеют малые пусковые моменты, и для пуска их в ход применяют специальные меры.

Известна индукторная электрическая машина (Патент RU 2009599 С1, МПК 5 Н02К 19/06, Н02К 19/24, авторы: Жуловян В.В.; Новокрещенов О.И.; Шаншуров Г.А.), содержащая явнополюсный с числом полюсов Z₀ зубчатый статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой размещена на одном полюсе статора, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор и преобразователь, к которому подключена обмотка статора, статор и ротор выполнены с четными и не равными друг другу числами зубцов и каждая фаза обмотки выполнена из р встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где 2·τ=Z₀/p, р – число четное.

Известен синхронный редукторный двигатель (Патент RU 2054220 С1, МПК 6 Н02К 37/00, Н02К 19/06, авторы: Шевченко А.Ф.; Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Z_p зубцами и статор с 4·р полюсами (р=1, 2, 3, …), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z_s зубцов на каждом полюсе, причем Z_r=4·p·(Z_s+К)±р (где К=0, 1, 2, … – целое число), в большие пазы между полюсами уложены катушки однофазной обмотки по одной на каждом полюсе, катушки, расположенные на одноименных полюсах с номерами, различающимися на 4, соединены последовательно “конец” с “началом” и образуют четыре ветви, “конец” первой ветви, образованной 1, 5, …, 1+4·(р-1) катушками, соединен с “началом” третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(р-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, “конец” второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(р-1) катушками, соединен с “началом” четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(p-1) катушками, и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а ко второму выводу подключены два диода таким образом, что с анодом первого из них соединены первая и четвертая ветви, а с катодом второго диода – вторая и третья ветви.

Недостатком описанной индукторной электрической машины и синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме этого, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.

Известна принятая за прототип сверхпроводниковая вентильная индукторная машина (Патент RU 2178942 С1, МПК 7 Н02К 55/00, Н02К 55/02, авторы Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А.), содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, снабженная вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала с «вмороженным» магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статорах установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку для «вмораживания» в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности. Недостатком прототипа является сложность конструкции ротора, наличие двух статоров с соленоидом между ними, каждый статор имеет свою многофазную обмотку якоря, низкая ремонтопригодность при пробое какой-либо из обмоток из-за расположения всех обмоток (якоря и возбуждения) только на статоре, небольшой по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.

Целью настоящего изобретения является создание достаточно простой, надежной в эксплуатации, технологичной и высокоремонтопригодной конструкции электрической машины с электромагнитным возбуждением с высокими энергетическими показателями при большом удельном вращающем моменте на валу и высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора.

Существенным признаком, отличающим настоящее изобретение от прототипа, является наличие щеточно-контактного узла, позволяющего питать обмотку возбуждения электрической машины с электромагнитным возбуждением значительным постоянным (выпрямленным) электрическим током и, таким образом, повысить удельную мощность, а также плавно регулировать выходными параметрами электрической машины.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов якоря, общего числа зубцов якоря и числа зубцов индуктора при выполнении сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоких эксплуатационных характеристик с возможностью регулирования выходными параметрами электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением. С этой целью статор содержит явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, m-фазную катушечную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе якоря, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор с сердечниками индуктора, количество которых не менее двух, длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии сердечников индуктора более двух длина сердечников, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше длины крайних сердечников, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления индуктора, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора. Возбуждение индуктора осуществляется при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током через контактные кольца и щетки.

При применении электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется:

– от источника трехфазного переменного напряжения,

– от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,

– от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,

– от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,

– от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

При применении электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной формы без постоянной составляющей.

Обмотка возбуждения индуктора электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением может подключаться через контактные кольца и щетки к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.

В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь – статором. Возможны исполнения электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.

Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей:

фиг.1 – общий вид электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором с тремя сердечниками индуктора,

фиг.2 – общий вид электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внутренним якорем и внешним индуктором с двумя сердечниками индуктора,

фиг.3÷14 – примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений сердечников якоря и индуктора, схем соединения катушек обмоток якоря и включение обмоток якоря на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС).

В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением число полюсов якоря Z_1p, число элементарных зубцов на полюсе якоря Z_1s=1, 2, 3, 4…, число фаз обмотки якоря m=3, 4, 5, 6…, число полюсов якоря в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4…, общее число зубцов якоря Z₁, число зубцов на каждом сердечнике индуктора Z₂ связаны равенствами (1), (2), (3):

Катушки обмотки в фазе якоря должны быть соединены между собой таким образом (согласно или встречно), чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением.

Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, если их число более одной, должны быть соединены между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока зубцы нечетных сердечников индуктора образовывали полюса одной полярности, например южные полюса «S», а зубцы четных сердечников индуктора образовывали полюса другой полярности, например северные полюса «N».

На фиг.3÷14 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3) в виде поперечных сечений сердечника якоря и нечетных и четного сердечников индуктора электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением, схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря при включении обмоток якоря в двигательном режиме на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС). Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечника якоря и нечетных и четного сердечников индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Буква m в таблице обозначает количество фаз обмотки якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением, а m_ист. – количество фаз источника напряжения. Положение нечетных и четного сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре в двигательном режиме соответствует моменту времени, при котором показано положение векторов токов на соответствующей фигуре схемы соединения катушек m-фазной обмотки якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением (таблица).

На фиг.4 представлена схема соединений катушек 3-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.

На фиг.6 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением на 4-фазный источник напряжения и с подключением двух кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора через контактные кольца, щетки и 4-фазный диодный мост D1-D8 к обмотке якоря. Направление намотки кольцеобразных катушек обмотки возбуждения в аксиальном направлении одинаковое, начало н1 первой кольцеобразной катушки соединено с первым контактным кольцом, конец к1 первой кольцеобразной катушки соединен с концом к2 второй кольцеобразной катушки, начало н2 второй кольцеобразной катушки соединено со вторым контактным кольцом.

Таблица
Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечника якоря, нечетных и четных сердечников индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря
Фигура	m	Z_1m	Z_1p	Z_1s	Z₁	Z₂	m_ист.
чертежа поперечного сечения	схемы обмотки и диаграммы токов (МДС)
3	4	3	5	15	3	45	50	3
5	6	4	2	8	4	32	30	4
7	8	5	3	15	3	45	48	5
9	10	6	2	12	4	48	50	6
11	12	4	3	12	4	48	45	1 с фазосдвигающей емкостью
13	14	6	3	18	4	72	75	3

На фиг.8 представлена схема соединений катушек 5-фазной обмотки якоря с подключением на 5-фазный источник напряжения.

На фиг.10 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 6-фазный источник напряжения.

На фиг.12 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением в однофазную сеть переменного тока промышленной частоты. Сдвиг фаз источника напряжения, необходимый для работоспособности машины, обеспечивается при помощи фазосдвигающего элемента, в данном случае при помощи емкости С. При этом w_AN – это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных непосредственно к фазе «А» и нулю, w_CN – это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных к фазе «А» и нулю через фазосдвигающую емкость С. Коэффициент трансформации обмоток фаз якоря лежит в пределах k_тр=w_CN/w_AN=1÷2.

На фиг.14 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.

Рассмотрим конструкцию электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.13). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитопроводе 2, являющемся корпусом, выполненном из стали с высокой магнитной проницаемостью. На каждом явно выраженном полюсе 13 якоря выполнены элементарные зубцы 14. На полюсах 13 якоря размещена катушечная обмотка 3 якоря. Катушки обмотки 3 якоря выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из магнитной или немагнитной стали. Если вал 5 немагнитный, то подшипниковые щиты 6 выполняются из стали или из немагнитного материала, например из сплавов алюминия. Если вал 5 магнитный, то подшипниковые щиты 6 выполняются из немагнитного материала, например из сплавов алюминия, для того, чтобы магнитный поток возбуждения не замыкался через магнитный вал 5, подшипники 4, подшипниковые щиты 6 и магнитопровод 2. На валу 5 закреплен магнитопровод 10 индуктора, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью. На магнитопроводе 10 индуктора напрессованы нечетные 7 и 9 и четный 8 сердечники индуктора. Длина двух крайних сердечников 7 и 9 индуктора в аксиальном направлении одинакова, длина находящегося между ними сердечника 8 индуктора в два раза больше длины крайних сердечников 7 и 9. Для электрических машин малой мощности при выполнении вала 5 магнитным возможно размещение сердечников индуктора непосредственно на валу. Магнитопровод 10 индуктора при этом не выполняется, так как его роль выполняет вал 5. Сердечники 7, 8 и 11 индуктора выполнены шихтованными из электротехнической стали и имеют одинаковое число на каждом сердечнике равномерно распределенных по окружности зубцов 15. С целью удешевления конструкции сердечники 7, 8 и 9 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. Четный 8 сердечник индуктора смещен относительно нечетных 7 и 9 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления t_Z2 индуктора. Между сердечниками индуктора расположены кольцеобразные катушки 11 и 12 обмотки возбуждения индуктора. Катушки 11 и 12 выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины и могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Концы обмотки возбуждения индуктора соединены с контактными кольцами 17, расположенными на изоляционной неэлектропроводной втулке 16, которая, в свою очередь, насажена на вал 5. К контактным кольцам 17 при помощи пружинного механизма плотно прижаты щетки 18 для электрической связи обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения.

В случае конструкции электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внутренним якорем и внешним индуктором (фиг.2) роль корпуса играет магнитопровод 10 индуктора. Концы обмотки возбуждения индуктора соединены со щетками 18, а контактные кольца 17 подключены к источнику постоянного (выпрямленного) напряжения.

Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением работает в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.13). На обмотку возбуждения индуктора подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создавая постоянный магнитный поток индуктора, униполярно замыкающийся через сердечники индуктора 7, 8 и 9, который образует постоянную во времени МДС индуктора. При этом зубцы 15 нечетных сердечников 7 и 9 индуктора образуют полюса одной полярности, например южные полюса «S», а зубцы 15 четного сердечника 8 индуктора образуют полюса другой полярности, например северные полюса «N». На фазы обмотки 3 якоря подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменный магнитный поток якоря, который создает переменную во времени МДС якоря. На фиг.4, фиг.6, фиг.8, фиг.10, фиг.12, фиг.14 представлены векторные диаграммы токов 19 для соответствующих многофазных обмоток якоря, представленных на этих же фигурах. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов 19 поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 3 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер полюса 13 сердечника 1 якоря. Например, катушка В2 – катушка фазы В, расположенная на втором полюсе 13 сердечника 1 якоря. На фиг.4, фиг.6, фиг.8, фиг.10, фиг.12, фиг.14 обозначены направления токов в катушках в соответствии с проекцией векторов токов на ось у. При этом элементарные зубцы 14, расположенные на соответствующих полюсах 13 якоря, на которых сосредоточены катушки обмотки 3 якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменной МДС якоря с постоянной МДС индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент, т.е. при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой вращения n=60·f/Z₂ (об/мин). Направление вращения ротора на фигурах показано стрелкой с буквой «n». При Z₁<Z₂ ротор вращается согласно с магнитным полем якоря, а при Z₁>Z₂ ротор вращается против вращения магнитного поля якоря.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.13). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный протекающим по обмотке возбуждения постоянным (выпрямленным) электрическим током, пронизывая воздушный зазор и полюса 13 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в полюсах 13 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 3 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь – цепь нагрузки замкнута, то по обмотке 3 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.

Фазы обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник. При выполнении ротора с числом сердечников индуктора более двух кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора могут быть соединены между собой последовательно, а также параллельно. При выполнении ротора с нечетным числом сердечников индуктора, начиная с пяти, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора могут быть соединены между собой смешанно.

1. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический индуктор, отличающаяся тем, что якорь выполнен с одним шихтованным сердечником с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых расположены элементарные зубцы по Z_1s зубцов на каждом полюсе, обмотка якоря является m-фазной катушечной обмоткой и состоит из катушек, каждая из которых размещена на соответствующем полюсе якоря, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор содержит индуктор с нечетными и четными сердечниками с одинаковым числом зубцов на каждом сердечнике, число сердечников индуктора не менее двух, длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления индуктора t_Z2, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора, возбуждение индуктора осуществляется при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током через контактные кольца и щетки, число полюсов якоря Z_1p=m·Z_1m, где m=3, 4, 5, 6… – число фаз обмотки якоря; Z_1m=1, 2, 3, 4… – число полюсов якоря в фазе, общее число зубцов якоря Z₁=Z_1p·Z_1s, где Z_1s=1, 2, 3, 4… – число элементарных зубцов на полюсе якоря, число зубцов на каждом сердечнике индуктора Z₂=Z₁±Z_1m.

2. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что при наличии сердечников индуктора более двух длина сердечников, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше длины крайних сердечников.

3. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор – внутри.

4. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь – внутри.

5. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты.

6. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты.

7. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

8. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве двигателя постоянного тока питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

9. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя, питание обмотки якоря осуществляется от однофазного источника переменного напряжения постоянной частоты при помощи фазосдвигающего элемента.

10. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в звезду.

11. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в многоугольник.

12. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой последовательно.

13. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой параллельно.

14. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при нечетном числе сердечников индуктора, начиная с пяти, катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой смешанно.

15. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется через контактные кольца и щетки от независимого источника постоянного (выпрямленного) напряжения.

16. Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется от выходных концов фаз m-фазной обмотки якоря через диодный m-фазный мост, контактные кольца и щетки.

§ 29.6. Двигатель последовательного возбуждения

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря (рис. 29.9, а), поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки . При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока от тока нагрузки прямо пропорциональна, т. е. . В этом случае найдем по (25.24) электромагнитный момент:

Формула частоты вращения (29.5) примет вид

. (29.15)

Здесь — коэффициент пропорциональности.

На рис. 29.9, б представлены рабочие характеристики и двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигателя приобретают почти прямолинейный характер. Характеристика частоты вращения двигателя последовательного возбуждения показывает, что частота вращения двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такую характеристику принято называть мягкой.

Рис. 29.9. Двигатель последовательного возбуждения:

а — принципиальная схема; б — рабочие характеристики; в — механические характеристики; 1 — естественная характеристика; 2 — искусственная характеристика

Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения представлены на рис. 29.9, в. Резко падающие кривые механических характеристик (естественная 1 и искусственная 2) обеспечивают двигателю последовательного возбуждения устойчивую работу при любой механической нагрузке. Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте, а также в качестве крановых двигателей в подъемных установках, т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал двигателя с малой частотой вращения.

Номинальное изменение частоты вращения двигателя последовательного возбуждения

, (29.16)

где — частота вращения при нагрузке двигателя, составляющей 25% от номинальной.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения , либо магнитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат (рис. 29.10, а). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вращения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощности двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в . Кроме того, реостат , рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга (рис. 29.10, б). Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух двигателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей возможно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.

Изменение подводимого к двигателю напряжения возможно при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением (например, по схеме, аналогичной рис. 29.6, а). При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 29.11).

Регулировать частоту вращения двигателя изменением магнитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом , секционированием обмотки возбуждения и шунтированием обмотки якоря реостатом . Включение реостата , шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 29.10, в), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к снижению тока возбуждения , а следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а), применяется чаще и оценивается коэффициентом регулирования . Обычно сопротивление реостата принимается таким, чтобы .

При секционировании обмотки возбуждения (рис. 29.10, г) отключение части витков обмотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунтировании обмотки якоря реостатом (см. рис. 29.10, в) увеличивается ток возбуждения , что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.

Рис. 29.10. Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения

Коллекторный двигатель постоянного тока: устройство, принцип работы

Содержание:

Виды КД

В зависимости от типа питания классифицируют:

Коллекторные двигатели, работающие от источника постоянного тока,
Универсальные — работают как от постоянного тока, так и от переменного.

Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока

Коллекторный двигатель постоянного тока состоит из двух основных частей – ротора и статора. Ротор — вращающаяся часть двигателя – несёт на себе обмотку и коллектор. Статор – неподвижная часть двигателя – включает в себя источник постоянного магнитного поля – постоянный магнит или обмотку возбуждения, щётки и корпус.

Обмотка на роторе является одной из основных частей электрического двигателя постоянного тока. По ней течёт ток нагрузки. Обмотка состоит из нескольких сегментов. Их электрические выводы подключены к пластинам коллектора.

Коллектор – представляет собой набор металлических пластин, уложенных параллельно друг другу по цилиндрической поверхности, но не касающихся друг друга. К каждой пластине подключён вывод обмотки ротора. При вращении двигателя коллекторные пластины помогают переключать ток на всё новые секции обмотки, что приводит к дальнейшему вращению двигателя.

Коллекторный мотор с сердечником

Коллекторный мотор без сердечника

Щётки производят переключение секций обмотки по мере вращения электродвигателя и обеспечивают возможность подключения обмотки двигателя на роторе к выводам на корпусе мотора. В зависимости от материала конструкция щёток отличается: графитовые щётки, выполненные в виде прямоугольных брусков или металлические щётки в виде тонких пластин.

Конструкция неподвижной части двигателя – статора – отличается в зависимости от разновидности электродвигателя постоянного тока. У двигателей постоянного тока с обмоткой возбуждения на статоре располагается обмотка возбуждения, чаще всего выполненная на сердечнике из стальных пластин. У двигателей постоянного тока с постоянными магнитами, на статоре расположен постоянный магнит, создающий магнитное поле двигателя.

Обмотка ротора и коллектор установлены на валу, который опирается на подшипники, установленные в боковых фланцах корпуса.

Корпус выступает несущей конструкцией, куда устанавливаются остальные части двигателя, а также может выступать в роли наружной оболочки, защищающей мотор от пыли, грязи и механических воздействий.

Варианты конструкции двигателя

Типы обмоток

Обмотка без стального сердечника

Обмотки ротора отличаются между собой по конструкции. Применяются обмотки классической конструкции, намотанные на стальной сердечник, широко распространены полые обмотки без стального сердечника. Кроме того, ротор может иметь печатную обмотку плоской или цилиндрической конструкции. Ротор двигателя классической конструкции, со стальным сердечником, имеет значительный момент инерции, большую индуктивность обмотки и дополнительные потери в стали сердечника ротора. Двигатели с полым ротором и с печатным ротором отличаются низкой инерцией и малыми потерями.

Обмотки отличаются по своему устройству: толщина провода и схема намотки (например наличие параллельных ветвей в обмотке и их количество). Это даёт возможность изготавливать электродвигатели работающие при разном номинальном напряжении и токе.

Обмотки отличаются друг от друга по температурной стойкости, которая обеспечивается выбором соответствующего типа изоляции. Повышенная температурная стойкость позволяет обмотке нагреваться до более высокой температуры, не теряя работоспособности, что даёт возможность мотору работать при более высокой температуре окружающей среды или выдерживать более высокую токовую нагрузку.

Различные материалы магнитов

За время пока существуют электрические двигатели, было разработано и применено на практике немало различных материалов для постоянных магнитов. Ферриты, AlNiCo, SmCo, NdFeB. Основная разница между ними – в их мощности (т.е. в удельной энергии) и температурной стойкости. В настоящее время в высокопроизводительных малогабаритных двигателях с постоянными магнитами чаще всего применяется NdFeB из-за своей высокой мощности и SmCo из-за высокой рабочей температуры.

Типы щёток

Графитовые щётки

Металлические щётки

В настоящее время распространены два материала щёток – графитовые и металлические. Графитовые щётки изготавливаются из медно-графитового сплава и работают с коллектором из медных пластин. Они хорошо работают на больших токах, хорошо переносят частые пуски, но являются источником сильных электромагнитных шумов. Металлические щётки делают из благородных металлов, и они работают коллектором, в котором также применены благородные металлы. Они хорошо работают на небольших токах при малых изменениях скорости вращения и испускают гораздо меньше помех чем графитовые щётки.

Варианты подшипников

Два основных типа подшипников, применяемых в малогабаритных двигателях постоянного тока – шарикоподшипники и подшипники скольжения. В случае применения шарикоподшипников, для снижения осевого биения вала может применяться их предварительное поджатие

Преимущества и недостатки коллекторных двигателей

Простота управления. Коллекторный двигатель достаточно прост в управлении, особенно когда речь идёт о двигателях с постоянными магнитами. Для того чтобы заставить его вращаться необходим один источник постоянного напряжения. Математическая модель такого мотора достаточно проста, но с её помощью можно реализовывать достаточно сложные алгоритмы управления современными быстродействующими приводными системами. Сопоставимая по возможностям система управления, например, асинхронным двигателем гораздо сложнее математически и требует заметно больше ресурсов при реализации.

Низкая надёжность. Щёточно-коллекторный узел – это скользящий электрический контакт, который серьёзно ограничивает надёжность коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными.

Отсутствие электронных компонентов. Коллекторные двигатели не содержат электронных компонентов – как например датчики Холла в бесколлекторных моторах, которые необходимы для их работы. Это может давать коллекторным двигателям преимущество при работе, например, в условиях высокой радиации.

Ограничение скорости вращения. Когда щётки перемещаются по пластинам коллектора очень быстро, то начинается искрение, которое сокращает срок службы коллектора и щёток. Для того чтобы искрения не происходило должны быть ограничена скорость перемещения щёток по коллектору и нагрузка на щётки (ток). Максимально допустимая линейная скорость перемещения щёток по коллектору определяется материалами, применёнными для изготовления щёток и коллектора. И именно она является причиной различия в скорости у двигателей с графитовыми щётками и со щётками из благородных металлов.

Области применения

Несмотря на то, что во многих областях происходит активная замена коллекторных двигателей постоянного тока на бесколлекторные, в ряде применений продолжают использоваться коллекторные двигатели:

Во многих применениях с жёсткими требованиями по стоимости решения, которые ограничивают применение сложной и дорогой управляющей электроники
В системах, работающих в жёстких условиях (например, высокая температура или радиация) или в которых имеются жёсткие ограничения по размерам.

бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением – патент РФ 2277284

Изобретение относится к области электротехники и касается конструктивного исполнения бесконтактных индукторных вентильных электрических машин с электромагнитным возбуждением, предназначенных для использования в качестве приводов средней и большой мощности судов, большегрузных автомобилей, троллейбусов, трамваев метро, экскаваторов, буровых установок и других подъемно-транспортных средств, а также насосов водоочистных сооружений и приводов подъема активных элементов атомных электростанций. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в получении требуемого уровня мощности электрической машины, уменьшении пульсаций вращающего момента для двигателя или напряжения для генератора, использовании инверторов с низковольтной элементной базой, упрощении технологии изготовления привода в целом, обеспечении работы машины при больших нагрузках и в области высоких температур, резервировании ресурса машины, повышении ее надежности и ремонтопригодности, варьировании характеристиками машины в широких пределах использования известных и хорошо отработанных цифровых технологий управления работой машины, осуществляется за счет создания новой конструкции бесконтактной индукторной вентильной электрической машины с электромагнитным возбуждением. Для достижения указанного технического результата в бесконтактной индукторной вентильной электрической машине с электромагнитным возбуждением, содержащей корпус с установленными в нем шихтованными пакетами из листов электотехнической стали, число которых кратно двум, с зубцами, число которых кратно трем, и пазами для укладки фазных обмоток, фазные обмотки в пазах этих пакетов, уложенные так, что их витки в пазовых частях обмотки параллельны продольной оси машины и один виток охватывает все зубцы пакетов статора находящиеся против друг друга, обмотку возбуждения, расположенную на статоре, между пакетами статора с продольной осью, параллельной продольной оси машины, металлический немагнитный вал с втулкой из магнитомягкого металла на нем, на которой установлены зубчатые пакеты ротора из пластин магнитомягкой стали по числу, равным числу пакетов статора, две крышки с подшипниками, согласно данному изобретению общее число фазных обмоток больше трех и их число кратно трем, причем каждые три фазные обмотки имеют свою независимую нулевую точку и между соседними фазами различных триад имеется угол фазового сдвига, притом, что отношение зубцов статора Z_cm к числу зубцов ротора Z_p выражается дробью, в которой число зубцов ротора является простым числом, начиная с пяти: 5, 7, 11, 13, 17… 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула изобретения

1. Бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением, содержащая корпус с установленными в нем шихтованными из листов электротехнической стали пакетами статора, число которых кратно двум, с пазами в них для укладки фазных обмоток, число которых кратно трем, фазные обмотки, уложенные в пазы пакетов статора так, что их витки в пазовых частях обмотки параллельны продольной оси машины и один виток охватывает все зубцы пакетов статора, находящиеся против друг друга, обмотку возбуждения с продольной осью параллельной продольной оси машины, расположенную на статоре между пакетами статора, металлический немагнитный вал с втулкой из магнитомягкого металла на нем, на которой установлены зубчатые пакеты ротора шихтованные из пластин магнитомягкой стали, число которых равно числу пакетов статора, две крышки с подшипниками, отличающаяся тем, что общее число фазных обмоток больше трех и их число кратно трем, причем каждые три фазные обмотки имеют свою независимую нулевую точку и между соседними фазами различных триад имеется угол фазового сдвига, при том, что отношение числа зубцов статора Z_ст к числу зубцов ротора Z_р выражается дробью, в которой число зубцов ротора является простым числом, начиная с пяти 5, 7, 11, 13, 17…

2. Бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что при четном числе триад величина угла фазового сдвига между ближними фазами соседних триад в электрических градусах определяется выражением , где n – число триад.

3. Бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что при нечетном числе триад величина угла фазового сдвига между ближними фазами соседних триад в электрических градусах определяется выражением , где n – число триад.

4. Бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением по одному из п.2 или 3, отличающаяся тем, что каждая фаза состоит из четного числа катушек, которые сдвинуты относительно друг друга на 180 электрических градусов.

5. Бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.4, отличающаяся тем, что отношение числа зубцов статора Z_ст к числу зубцов ротора Z_р выражается дробью, в которой знаменателем является удвоенное число зубцов ротора.

Описание изобретения к патенту

При создании электрических машин, имеющих фазные обмотки, их число, как правило, равно трем, исходя из действующих стандартов на качество питающего напряжения и получения магнитного потока якоря необходимой величины. Теоретически известно, что число фазных обмоток для каждого типа машин может быть различным. Для получения больших мощностей необходимо повышать значение фазного напряжения и тока, что связано с использованием высоковольтной элементной базы в инверторах, к которым подключены фазные обмотки. Также снижается теплоотвод из-за невозможности размещения фазных обмоток оптимальным образом, что в свою очередь ведет к ухудшению габаритно-массовых показателей. Поэтому достижение высоких уровней мощностей для электрических машин, имеющих конструктивное трехфазное исполнение, является сложной технической задачей. Надежность таких машин и приводов в целом оказывается невысокой и не обеспечивает изменения вращающего момента и частоты вращения вала электрической машины в широких пределах. Кроме того, при переходе к высоковольтной элементной базе инверторов и выпрямителей усложняется технология их изготовления, алгоритмы управления становятся более громоздкими, что ограничивает использование цифровых технологий управления приводом и снижает возможности по автоматизации технологических процессов, где применяются эти машины.

Известна конструкция асинхронных электрических двигателей /1, с.310-368/, в которой магнитный поток якоря создается фазными обмотками, размещенными на статоре, общее число которых равняется трем. В описанных конструкциях фазная обмотка формируется катушкой, охватывающей один или несколько зубцов магнитопровода статора. Фазная обмотка может состоять и из нескольких катушек, охватывающих зубцы магнитопровода статора, но при этом все пазовые витки катушек параллельны продольной оси машины. Повышение мощности машин этого класса ведет к непропорционально большому росту их габаритно-массовых показателей, ухудшается теплоотвод от фазных обмоток, снижается надежность привода в целом, а также невозможно достижение регулирования скорости и вращающего момента в широких пределах. Повышение мощности электрической машины такой конструкции требует перехода на более высокий уровень питающего напряжения, что требует смены элементной базы преобразователей, предназначенных для питания фазных обмоток и управления работой машины. Кроме того, наличие взаимных индуктивностей фазных обмоток, обусловленных конструкцией машины, ведет с одной стороны к снижению коэффициента мощности и, как следствие, к.п.д. машины, а с другой – к существенному усложнению алгоритмов управления машиной.

Известна конструкция сверхпроводниковой вентильной индукторной машины /2, с.1-8/. В этой конструкции электрической машины увеличение мощности достигается за счет увеличения пакетов статора и соответственно ротора. Многофазные катушечные обмотки, размещенные вокруг зубцов каждого пакета статора, создают магнитный поток якоря. Для его создания фазные обмотки многофазной системы статора поочередно подключаются через коммутатор, образуя на статоре однополярные полюса. Магнитный поток возбуждения формируется комбинированным способом: кольцевой обмоткой возбуждения, размещенной на статоре, с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, и с постоянным магнитом, размещенным на роторе электродвигателя между пакетами пластин внутри вала. При согласном или встречном включении независимой обмотки возбуждения с встроенным магнитом (“вмороженным” магнитным потоком) изменяется величина магнитного потока возбуждения, чем достигается изменение величины вращающего момента. При повышении мощности двигателя в такой конструкции машины непропорционально возрастают ее аксиальные размеры и снижается надежность. Также при работе с большими механическими и токовыми нагрузками происходит повышение температуры, что уменьшает коэрцитивную силу магнитов и ведет к ухудшению рабочих характеристик машины. Применение магнитов повышает сложность изготовления такой машины и снижает ее надежность. Кроме того, поскольку число фаз произвольное, то не всегда может быть обеспечено применение серийно выпускаемых промышленностью преобразователей. А размещение катушек фазных обмоток на каждом пакете статора ведет к росту числа ключей преобразователя и усложнению алгоритмов управления машиной.

Также известен вентильный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе для системы электродвижения транспортных средств /3, с.1-3/. В конструкции машины применяется многофазная статорная обмотка с общим числом фаз не менее девяти, разделенных на независимые каналы, объединяющие по три фазы. Применение постоянных магнитов в конструкции электрической машины не позволяет применять ее при больших нагрузках и высоких температурах, что вызвано изменением характеристик постоянных магнитов в области высоких температур.

Известна конструкция аксиальных индукторных машин с трехфазной обмоткой на статоре, методы расчета которой описаны в /4, с.14-17, 114-138, 160-164/. В такой конструкции электрической машины магнитный поток якоря создается трехфазной системой обмоток, аналогичной трехфазной системе обмоток асинхронных или синхронных машин. Фазные обмотки таких машин могут быть размещены как на отдельных выступах пакетов статора, как описано в /2, патент РФ №2178942 С1/, так и охватывать одновременно все пакеты статора, сохраняя при этом параллельность пазовых витков фазных обмоток продольной оси машины. Для этого класса машин при выходе из строя хотя бы одной из фазных обмоток требуемые регулировочные характеристики не могут быть достигнуты, что ведет к прекращению работы электрической машины. Машина такой конструкции имеет статор, ротор и крышки с подшипниками. Статор является в свою очередь сложной конструкцией и состоит из корпуса, в который устанавливается магнитопровод, шихтованный из листов электротехнической стали. Магнитопровод имеет четное число пакетов. В пластинах пакетов выполняются либо пазы, либо отверстия для укладки фазных обмоток. Обмотки либо наматываются вокруг зубцов статора, либо укладываются в отверстия путем протягивания. Ротор машины также представляет собой сборную конструкцию и состоит из вала и магнитной системы ротора. Магнитная система ротора имеет не менее двух зубчатых пакетов из листов электротехнической стали с втулкой, установленной между ними. Пакеты могут устанавливаться либо непосредственно на выступы втулки по краям, либо непосредственно на вал, но так, чтобы втулка оказывалась между ними и замыкала магнитную цепь. Втулка выполняется из магнитомягкого материала для обеспечения замыкания магнитного потока. Магнитная система ротора устанавливается на вал из немагнитного материала. Соединение магнитной системы ротора с валом машины осуществляется известными способами: посадкой, шпоночным, шлицевым или резьбовым соединением.

Наиболее близкой является конструкция, описанная выше /4, с.14-17, 114-138, 160-164/ и принятая за прототип.

Задачей изобретения является создание конструкции электрической машины с электромагнитным возбуждением большой мощности, обеспечивающей работу при изменяющейся в широких пределах нагрузке, в области высоких температур, обладающей высокой надежностью и способностью к резервированию мощности, использующей цифровые технологии управления работой машины, позволяющими варьировать рабочими характеристиками машины в широких пределах, а также использование в инверторах, питающих фазные обмотки, низковольтной элементной базы, что упрощает технологию изготовления инверторов для комплектного привода и расширяет область применения машин этого класса.

Решение задачи достигается за счет создания новой конструкции бесконтактной индукторной вентильной электрической машины с электромагнитным возбуждением. Сущность изобретения заключается в следующем. Бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением (фиг.1) состоит из статора и ротора. Статор электрической машины представляет собой сборную конструкцию и состоит из металлического корпуса 1, выполненного из магнитомягкого материала (стали), шихтованных пакетов статора 2 из листов электротехнической стали, промежуточной втулки 5, обмотки возбуждения 4, фазных обмоток 3, крышек 11 и 12 с подшипниками 13. Корпус статора 1 имеет внутри цилиндрическую расточку, представляющую собой сквозное отверстие. Корпус является одновременно и частью общей магнитной цепи, для формирования которой внутри него устанавливаются цилиндрические пакеты 2, шихтованные из листов электротехнической стали, имеющие внутри также цилиндрические расточки. Пакеты крепятся внутри корпуса для предотвращения поворота. Крепление осуществляется известными способами: шпоночным соединением, посадкой с натягом, резьбовым соединением или другим. Для укладки фазных обмоток 3 пакеты статора 2, состоящие из листов (фиг.4) имеют зубцы 15 и пазы 14, число которых кратно трем. Фазные обмотки 3 укладываются в пазы таким образом, что они охватывают одной катушкой все одноименные зубцы по длине машины, причем каждая катушка охватывает в пакете только один зубец. Число пакетов может быть произвольным, но не менее двух, и всегда четное. Для этого пакеты статора устанавливают по длине машины таким образом, чтобы зубцы соседних пакетов находились напротив друг друга. Промежуточная втулка 5 носит вспомогательный характер и предназначена для крепления обмотки возбуждения или защиты фазных обмоток и обмотки возбуждения от среды, находящейся внутри машины. В первом случае втулка расположена выше обмотки возбуждения, а во втором – ниже всех обмоток статора. Кроме того, втулка при сборке позволяет обеспечить требуемое расстояние между пакетами статора.

Фазная обмотка формируется одной или несколькими катушками. В том случае, когда катушек несколько, их число должно быть четным. Катушка охватывает только один зубец в одном пакете и при этом пазовые витки любой катушки всегда параллельны продольной оси машины. При четном числе катушек в фазе имеется возможность расположить их в статоре машины таким образом, что одна половина катушек смещена относительно другой половины катушек на 180 электрических градусов. Такое смещение достигается с одной стороны за счет соотношения числа зубцов статора 15 (фиг.4) к числу зубцов ротора 16 (фиг.5) и с другой за счет соединения конца первой половины катушек с концом второй половины катушек. В том случае, когда каждая фазная обмотка состоит из двух катушек, конец первой катушки соединяют с концом второй катушки. Если число катушек больше двух, но соответственно четное число, то катушки первой половины фазной обмотки соединяются между собой последовательно, т.е. конец одной катушки соединяется с началом другой и т.д. Аналогично соединяются катушки второй половины фазной обмотки. Далее между собой половины фазной обмотки, образованные последовательным соединением нескольких катушек, соединяются параллельно, т.е. конец первой половины фазной обмотки соединяется с концом второй половины фазной обмотки. Такое расположение катушек на статоре и соединения в фазах ведут к независимости фазных обмоток друг от друга, что выражается почти в полном отсутствии взаимоиндуктивностей между фазными обмотками машины. Отсутствие взаимоиндуктивностей упрощает алгоритмы управления электрической машиной и повышает надежность привода в целом. В последующем фазные обмотки соединяют в группы по три штуки в каждой, так что они образуют триады фазных обмоток (триады) (фиг.6-8). На чертежах фазы обозначены буквами U,V,W с индексами. Цифра перед буквой означает номер триады, в которую входит эта фазная обмотка. Индекс после буквы обозначает начало или конец фазной обмотки. Начала фаз в триадах имеют индекс 1 после буквы, а концы фаз обозначены индексами 2. Таким образом, начала фаз первой триады 1UV1, 1W1, а концы 1U2, 1V2, 1W2. Каждая триада имеет свою независимую нулевую точку, образованную соединением в одну точку концов фазных обмоток каждой триады, например 1U2-1V2-1W2, 2U2-2V2-2W2, 3U2-3V2-3W2 т.д.

Так, на фиг.6 представлены две триады фазных обмоток. Концы фаз соединяются вместе и образуют независимую нулевую точку своей триады. Для первой триады нулевой точкой будет точка 1U2-1V2-1W2, в которой соединяются концы фазных обмоток первой триады. Вторая триада имеет начала фазных обмоток 2U1, 2V1, 2W1 и концы 2U2, 2V2, 2W2, соответственно. Нулевой будет точка 2U2-2V2-2W2.

При укладке обмотки второй триады фазных обмоток должны быть смещены по отношению к первым на величину угла фазового сдвига. Необходимую величину угла фазового сдвига получают следующим образом. Катушки фазных обмоток укладывают последовательно друг за другом в пазы так, чтобы витки одной катушки охватывали один зубец. Величина угла пазового сдвига (фиг.1, фиг.4), которая представляет собой угловой шаг пазов листового пакета статора в зависимости от числа фаз и числа отдельных катушек, образующих каждую фазу в отдельности, определяется в соответствии с выражением

где m – число фаз, кратное трем;

k – число катушек, образующих фазу.

Угловой шаг пазов пакета статора равен угловому шагу зубцов пакета статора, что совершенно очевидно. Таким образом, поскольку они равны между собой, то угол пазового сдвига может рассматриваться и как угол зубцового сдвига, так как это по сути одно и то же.

Число катушек в фазе выбирается в зависимости от числа пар полюсов ротора и может быть от одной и более. Как отмечалось выше, для машины такой конструкции в том случае, когда катушек более одной в фазе, их число должно быть четным. Применение нескольких катушек в одной фазе обеспечивает лучшее распределение магнитной индукции в зазоре и снижение пульсаций вращающего момента для двигателя или пульсаций напряжения для генератора за счет изменения угла фазового сдвига напряжения. При четном числе катушек в фазе практически отсутствует магнитная связь между соседними фазами, выражающаяся в уменьшении взаимоиндуктивностей фазных обмоток. Это фактически соответствует множеству отдельных электрических машин, собранных в одном корпусе и имеющих общую обмотку возбуждения. Такая независимость элементарных электрических машин друг от друга позволяет подключать их к инверторам, рассчитанным на низкое напряжение, и достигать увеличения мощности за счет суммирования мощностей отдельных машин.

Число пар полюсов в машине такого типа равняется числу зубцов ротора. Поскольку число зубцов статора определяется выражением

Z_cm =3nk,

где n – число триад,

то число пар полюсов Z_p, равное числу зубцов ротора, выбирается таким, чтобы отношение выражалось простой дробью, в знаменателе которой находилось бы простое число, начиная с пяти (5, 7, 11, 13, 17 и т.д.), либо произведение простого числа на два, начиная с 6 (6, 10, 14, 22 и т.д.). Отношение может быть как больше единицы, так и меньше. В том случае, когда отношение меньше единицы, число зубцов ротора больше числа зубцов статора, и наоборот. Кроме того, числитель и знаменатель одновременно могут иметь общий сомножитель, равный двум, что является условием разделения каждой фазной обмотки на две катушки.

Таким образом, отношение в целом представляет собой конструктивное соотношение параметров электрической машины, являющимся одним из условий достижения технического результата. Число зубцов пакета статора, равное числу пазов, позволяет разместить на статоре n-е число триад. В зависимости от числа пазов число триад может быть четным и нечетным.

При четном числе триад (фиг.6, 8) угол фазового сдвига в электрических градусах между одноименными фазами триад определяется выражением

При нечетном числе триад (фиг.7) угол фазового сдвига в электрических градусах между одноименными фазами триад определяется в соответствии с выражением

Обмотку возбуждения 4 (фиг.1 и 3), представляющую собой кольцевую обмотку, размещают либо выше фазных обмоток, либо ниже, что описано в /4/, но таким образом, чтобы ось обмотки, перпендикулярная плоскости кольца обмотки, была параллельна продольной оси машины. Обмотка возбуждения 4 размещается между пакетами 2 статора. Для удобства ее крепления между пакетами устанавливается цилиндрическая втулка 5, к которой крепится обмотка возбуждения. Втулка также является дистанционной, обеспечивая необходимое расстояние между пакетами статора.

Ротор машины также является сборной конструкцией. Он состоит из немагнитного металлического вала 6 и магнитной системы ротора, образованной зубчатыми пакетами ротора 8 из листов электротехнической стали, установленными на валу. Между пакетами ротора имеется втулка 9 из магнитомягкого материала. Пакеты ротора 8 устанавливаются либо непосредственно на вал, либо на втулку 9, но так, чтобы между ними всегда была либо втулка полностью, либо часть втулки, которая являются частью общей магнитной цепи. Установка пакетов ротора 8 на втулку 9 применяется для упрощения сборки машины в целом, но не направлена на изменение величины магнитного потока, замыкающегося через пакеты ротора.

Число зубцов пакетов статора 2 и ротора 8 различно. Но если пакеты статора устанавливаются так, что их зубцы находятся друг против друга, то пакеты ротора должны размещаться так, что против зубца одного пакета находилась впадина другого. Число пакетов ротора может быть произвольным, но всегда четным и соответствует числу пакетов статора. Пакеты ротора и статора в электрической машине размещаются друг против друга. Крепление пакетов 8 и втулки 9 осуществляется либо посадкой с натягом, либо шпоночным или шлицевым соединением, либо резьбовым соединением. Ротор машины в сборе размещается в корпусе, и с обоих концов вала устанавливаются крышки 11 и 12 с подшипниками 13.

Наличие нескольких триад фазных обмоток (фиг.6-8), имеющих каждая свою нулевую точку, позволяет подключить триады автономно, каждую к своему инвертору. Общий магнитный поток якоря, создаваемый фазными обмотками, образуется путем сложения магнитных потоков от фазных обмоток соседних триад. Такое подключение электрической машины для получения требуемой величины вращающего момента позволяет осуществить подключение каждой триады к инвертору с более низким уровнем (до 1000 В) питающего напряжения. В электрической машине такой же мощности при наличии только трех фазных обмоток потребовался бы инвертор, рассчитанный на более высокое напряжение. Поскольку все фазные обмотки объединены в триады, то имеется возможность использовать серийно выпускаемые промышленностью микросхемы и силовые ключи для подключения электрической машины. Кроме того, за счет четного числа катушек в фазе и определенного соотношения числа зубцов пакета статора к числу зубцов пакета ротора достигается практически полная независимость триад друг от друга, что также позволяет увеличивать мощность машин за счет увеличения числа элементарных машин. Такая конструкция электрической машины обеспечивает резервирование ресурса при повышении надежности и ремонтопригодности таких машин. За счет отсутствия взаимовлияния фаз упрощаются алгоритмы управления работой электрической машиной и при различных конструкциях машин используются однотипные алгоритмы управления.

Таким образом, суммирование магнитных потоков от ближних фазных обмоток различных триад позволяет достигнуть требуемого уровня мощности электрической машины, уменьшить пульсации вращающего момента для двигателя или напряжения для генератора и изготовить инверторы с использованием низковольтной элементной базы, что упрощает технологию изготовления привода в целом, позволяет обеспечить работу машины при больших нагрузках и в области высоких температур. Наличие нескольких одновременно работающих триад позволяет осуществить резервирование ресурса машины, что повышает и ее надежность. При отсутствии потребности в больших значениях вращающего момента в данный момент времени могут использоваться не все триады фазных обмоток. При выходе из строя одной триады фазных обмоток привод сохраняет свою работоспособность. Также обеспечивается возможность включения в работу необходимого числа триад фазных обмоток, что позволяет осуществить варьирование характеристиками машины в широких пределах. Поскольку сохраняется возможность использования известных и хорошо отработанных цифровых технологий управления работой машины, то это дает возможность расширить область применения электрических машин этого класса.

Таким образом, заявляемое устройство – бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением – соответствует критерию изобретения “новизна” и позволяет улучшить технические характеристики электрических машин этого класса, упростить технологию изготовления привода в составе электрическая машина-инвертор и, таким образом, расширить сферу применения электрических машин этого класса.

Необходимость применения заявляемого устройства возникает в тех случаях, когда требуются большие мощности, высокая надежность, варьирование рабочих характеристик привода в широких пределах, простота изготовления привода и применение цифровых технологий управления ими.

Литература

1. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин. М., Высшая школа, 2002, 757 с.

2. Патент РФ №2178942 С1. Сверхпроводниковая вентильная индукторная машина.

3. Патент RU 2185701 С1. Вентильный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе для системы электродвижения транспортных средств.

4. Домбур Л.Э. Аксиальные индукторные машины. Рига, “Зинатне”, 1984, 247 с.

Принцип работы двигателя постоянного тока

— StudiousGuy

В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с разнообразными электрическими гаджетами на батарейках, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, такими как фены, игрушечные транспортные средства, крошечные вентиляторы, триммеры и так далее. Электрическим компонентом, ответственным за это действие, является двигатель постоянного тока (DC), присутствующий внутри этих устройств. Двигатель постоянного тока — это устройство, которое работает на постоянном токе и преобразует его в механическую работу.Официальная заслуга изобретения двигателя постоянного тока принадлежит американскому кузнецу Томасу Давенпорту; однако несколько других ученых, в том числе Уильям Стерджен и Фрэнк Джулиан Спраг, также внесли свой вклад в разработку двигателя постоянного тока. Сегодня двигатели постоянного тока стали неотъемлемой частью промышленного сектора и используются для различных применений, таких как приводы электромобилей, лифты, краны и приводы сталепрокатных станов. Чтобы понять, как работает двигатель постоянного тока, давайте сначала рассмотрим компоненты, используемые в его конструкции.

Указатель статей (щелкните, чтобы перейти)

Компоненты двигателя постоянного тока
Двигатель постоянного тока обычно выглядит как цилиндрическое устройство с выходящим из него валом, который вращается при подаче постоянного тока. Это действие осуществляется путем расположения следующих компонентов определенным образом.
Статор
Статор, или стальное ярмо, представляет собой цилиндрический металлический корпус, внутри которого размещены все остальные элементы двигателя постоянного тока. Одна сторона статора содержит вертикальный вал, выходящий из него, а другая сторона имеет две клеммы, к которым подключен источник питания постоянного тока.
Магниты
В статоре двигателя постоянного тока установлены два стационарных постоянных магнита. Они действуют как северный и южный полюса магнита, создавая поперек них горизонтальное магнитное поле.
Арматура
В электротехнике термин «якорь» относится к структуре вращающихся катушек под действием электромагнитной силы. В двигателе постоянного тока якорь состоит из ротора, расположенного между двумя магнитами. Ротор представляет собой конструкцию из ламинированных дисков, обернутых катушкой проводящего поля.Выступающий из двигателя вал проходит по оси якоря и вращается вместе с ним.
Полевая катушка
Катушка возбуждения или обмотка возбуждения в двигателе постоянного тока представляет собой катушку из медных проводов, которая заменяет постоянные магниты, прикрепленные к внутренним стенкам статора. Когда постоянный ток от батареи проходит через эту катушку, он образует электромагнит, полярность которого можно контролировать, создавая желаемое магнитное поле.
Коллектор
Коммутатор представляет собой полую цилиндрическую деталь, сегментированную во многих точках для изменения полярности электромагнитной катушки якоря внутри двигателя постоянного тока.Критической частью двигателя является работа от источника постоянного тока. Он сидит на конце якоря вокруг вала. Концы обмотки якоря соединены с коммутатором, а все остальные части, кроме щеток, от него электрически изолированы.
Щетки
Щетки в двигателе постоянного тока — это компоненты, которые соединяют статические клеммы с вращающимися частями двигателя. Обычно они изготавливаются из углеродистого графита, так как он является отличным проводником электричества и обладает отличными смазочными свойствами.Коммутатор расположен между двумя щетками, которые дополнительно подключены к клеммам двигателя, замыкая цепь с источником питания постоянного тока.
Принцип работы двигателя постоянного тока
Двигатель постоянного тока работает по тому принципу, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует магнитная сила, направление которой определяется правилом левой руки Флеминга. Другими словами, двигатель постоянного тока вращается за счет взаимодействия магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем электромагнита с током.
Правило левой руки Флеминга
Правило левой руки Флеминга — это мнемонический инструмент для понимания взаимно перпендикулярной зависимости между током, приложенным магнитным полем и индуктивной силой в электродвигателе. Если вытянуть указательный, средний и большой пальцы левой руки во взаимно перпендикулярных направлениях, совместив средний палец с условным направлением тока внутри тока, а указательный палец с приложенным магнитным полем, то большой палец дает направление силы, действующей на проводник.Чтобы понять, как это действует внутри двигателя постоянного тока, давайте более подробно обсудим работу двигателя постоянного тока.
Работа двигателя постоянного тока
Чтобы понять, как работает двигатель постоянного тока, давайте сначала возьмем более простой случай, когда одна прямоугольная проволочная петля размещается внутри северного и южного полюсов постоянного магнита. Когда ток протекает через проволочную петлю, он создает вокруг нее магнитное поле, которое взаимодействует с ранее существовавшим магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к возникновению силы отталкивания, направление которой можно определить с помощью правила левой руки Флеминга.Направление тока для отрезка провода возле северного полюса постоянного магнита прямое (от положительного полюса батареи), что приводит к тому, что сила направлена вниз. Точно так же на участке провода возле южного полюса постоянного магнита ток течет в обратном направлении (к отрицательному полюсу батареи), в результате чего сила направлена вверх. Два противоположных направления сил создают вращающий момент в катушке, заставляя ее вращаться вокруг оси.
Тем не менее, одиночная проволочная петля не будет иметь достаточной магнитной силы, чтобы преодолеть магнитный поток постоянных магнитов, и в конце концов остановится, установив равновесие.Интенсивность магнитного поля электромагнита увеличивается за счет его намотки вокруг ветвей ротора. В двигателе постоянного тока ток поступает в катушку через коммутатор, который трется об одну из щеток, подключенных к источнику питания постоянного тока. Когда ток проходит через катушку, ротор начинает вращаться в результате действия на него крутящего момента. Сегментация коммутатора позволяет якорю избежать положения равновесия за счет отключения некоторых катушек от источника питания и обеспечения однонаправленного крутящего момента.Этот цикл периодически повторяется, что приводит к вращению вала, прикрепленного к якорю.
Типы двигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока (DC) широко распространены в современном промышленном секторе и служат для различных малых и средних автомобильных приложений, от робототехники до транспорта. Из-за их универсальной функциональности на рынке доступно несколько типов двигателей постоянного тока, которые можно разделить на следующие категории в зависимости от их подключения:
Электродвигатель постоянного тока с постоянными магнитами
Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами является типичным примером двигателя постоянного тока, в котором постоянные магниты создают поперечное магнитное поле внутри статора.Пара (или пары) радиально намагниченных постоянных магнитов закреплена на внутренних стенках статора, причем северный и южный полюса попеременно обращены друг к другу и создают между собой однородное магнитное поле. В дополнение к удерживанию постоянных магнитов цилиндрическая форма стального статора также служит каналом возврата магнитного потока с низким сопротивлением. Недостатком этих типов двигателей постоянного тока является то, что постоянные магниты могут со временем терять свои магнитные свойства; однако в некоторых усовершенствованных двигателях постоянного тока с постоянными магнитами магниты работают вместе с дополнительными катушками возбуждения для компенсации потери намагниченности.
Приложения
Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами обычно используются в тех электрических устройствах, которые не потребляют много энергии и не требуют очень эффективного управления скоростью двигателя. Примерами таких электрических устройств являются игрушечные машинки, стеклоочистители, вентиляторы горячего воздуха, дисководы для компакт-дисков и т. д.
Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока с возбуждением содержит катушку электромагнитного поля вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля внутри статора.Эти двигатели имеют устройство возбуждения поля, установленное внутри двигателя, которое генерирует магнитное поле с использованием электрического тока. В двигателе постоянного тока с независимым возбуждением цепь, обеспечивающая подачу тока на устройство возбуждения поля, имеет источник напряжения, отличный от той, которая подает ток на обмотки якоря. Другими словами, ток, протекающий по обмоткам якоря, не протекает по обмоткам устройств возбуждения возбуждения. Устройство возбуждения поля работает при постоянном напряжении, тогда как катушки якоря могут иметь переменное напряжение для регулировки скорости двигателя.Кроме того, путем переключения полярности катушек возбуждения можно мгновенно изменить направление вращения вала двигателя. Тем не менее, недостатком является дополнительная стоимость источника напряжения, необходимого для возбуждения катушки возбуждения.
Приложения
Двигатели постоянного тока с независимым возбуждением обычно встречаются в электроприборах, требующих вращения в обоих направлениях с точным регулированием скорости. Они используются в различных устройствах, в том числе в бумагоделательных машинах, электродвигателях и даже в регуляторах тяги в электропоездах.
Двигатели постоянного тока с самовозбуждением
Как следует из названия, двигатели постоянного тока с самовозбуждением — это двигатели с общим источником напряжения для катушек возбуждения и катушек якоря. Обе катушки могут быть соединены либо последовательно, либо параллельно, либо в некоторой комбинации последовательно-параллельной конфигурации. В зависимости от конфигурации подключения двигатели постоянного тока с самовозбуждением подразделяются на следующие три категории:
Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением и самовозбуждением
В двигателе постоянного тока с последовательным возбуждением катушка возбуждения соединена внутри последовательно с катушкой якоря.Хотя конструкция двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением аналогична конструкции других двигателей постоянного тока с возбуждением, катушка возбуждения двигателя постоянного тока с самовозбуждением содержит относительно меньше витков и имеет более толстый провод, чем катушка якоря, что обеспечивает низкое электрическое сопротивление. В результате электромагнитный крутящий момент, создаваемый в этом случае, намного выше, чем обычно, что приводит к более высокой скорости двигателя. Тем не менее, управление скоростью в двигателях с автовозбуждением с последовательным возбуждением не такое впечатляющее, как в других двигателях с возбуждением.
Приложения
Из-за своей высокой скорости двигатели с последовательным возбуждением и автовозбуждением обычно используются в качестве стартеров для тяжелых промышленных устройств, таких как краны и подъемники.Кроме того, последовательные двигатели часто используются только в течение короткого промежутка времени, например, нескольких секунд, потому что высокий последовательный ток может сжечь последовательные катушки возбуждения, что сделает двигатель бесполезным.
Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением и самовозбуждением
В двигателе постоянного тока с самовозбуждением катушка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря двигателя, что приводит к одинаковому напряжению, но разной величине и протеканию тока для обеих катушек. По сравнению с обмоткой якоря двигателя постоянного тока, обмотка возбуждения имеет значительно большее число витков для увеличения полезной связи потока и проводник меньшего диаметра для увеличения сопротивления (меньший ток).Это дает двигателю постоянного тока с самовозбуждением шунтовой обмотки уникальную способность саморегулировать свою скорость при приложении нагрузки к валу клемм ротора. Другими словами, когда двигатель переключается с холостого хода на нагруженный, скорость двигателя существенно не колеблется.
Приложения
Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением и самовозбуждением обычно встречаются в приборах, которые работают с постоянной скоростью. Их способность к саморегулированию скорости пригодится там, где требуется точное управление скоростью, например.например, шлифовальные станки, печатные станки, токарные станки и т. д. Тем не менее, нагрузка при запуске двигателя должна быть ограничена, так как он не может создавать высокий пусковой момент.
Двигатели постоянного тока со смешанной обмоткой и самовозбуждением
Двигатель постоянного тока со смешанной обмоткой и самовозбуждением, также известный как составной двигатель постоянного тока, представляет собой комбинацию двигателей последовательного и параллельного возбуждения. В составных двигателях постоянного тока катушки возбуждения соединены как последовательно, так и параллельно с катушками якоря.Цель такого конструктивного сочетания – получение лучших качеств обоих типов. Шунтовой двигатель имеет очень эффективное регулирование скорости, тогда как последовательный двигатель имеет очень высокий начальный крутящий момент. В результате составной двигатель постоянного тока является фантастическим компромиссом с точки зрения этих характеристик. Обе катушки возбуждения работают вместе, чтобы обеспечить требуемый магнитный поток и желаемую скорость вращения. В зависимости от соединения катушки возбуждения с катушкой якоря двигатель постоянного тока со смешанной обмоткой можно разделить на два основных типа:
Двигатели постоянного тока с длинной шунтирующей обмоткой — это двигатели, в которых катушка возбуждения с шунтирующей обмоткой соединена параллельно через последовательную комбинацию якоря и катушки возбуждения.
Двигатели постоянного тока с короткой шунтирующей обмоткой — это двигатели, в которых ток сначала проходит через катушку возбуждения с последовательной обмоткой, а затем разделяется на параллельное соединение катушки возбуждения с шунтирующей обмоткой и обмотки якоря.
Кроме того, составные двигатели постоянного тока также можно разделить на две другие категории в зависимости от возбуждения и характеристик соединения:
Совокупный состав: В двигателе постоянного тока с совокупным составом поток шунтирующего поля, создаваемый катушкой шунтирующего поля, усиливает действие основного потока поля, создаваемого последовательной катушкой возбуждения.Другими словами, поток, создаваемый обмоткой шунтирующей катушки, суммируется с потоком, создаваемым последовательной обмоткой катушки, и дает общий поток.
Дифференциальная компаундация: Говорят, что двигатель имеет дифференциальную компаундацию, если поток шунтирующего поля уменьшает влияние основной последовательной обмотки. Это происходит из-за противоположных полярностей катушки возбуждения с шунтирующей обмоткой и катушки возбуждения с последовательной обмоткой. Поскольку чистый поток, созданный в этом случае, ниже, чем исходный поток, эта конфигурация вряд ли будет иметь какое-либо практическое применение.
Приложения
Подобно двигателям постоянного тока с автовозбуждением, комбинированные двигатели постоянного тока также часто используются в устройствах, требующих работы с высокой и постоянной скоростью. Основное различие в их полезности заключается в том, что составные двигатели постоянного тока могут работать независимо от нагрузки, прикрепленной к валу. Другими словами, в случае составных двигателей постоянного тока нагрузка не имеет большого значения. Обычное применение двигателей постоянного тока с составной обмоткой можно увидеть в таких машинах, как эскалаторы, лифты, штамповочные прессы, прокатные станы, поршневые машины и т. д.
Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами
(двигатель постоянного тока с постоянными магнитами) — как они работают?
Что такое двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (двигатель постоянного тока с постоянными магнитами)?
В двигателе постоянного тока якорь вращается внутри магнитного поля. Основной принцип работы двигателя постоянного тока основан на том факте, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на этот проводник действует механическая сила.
Все типы двигателей постоянного тока работают по этому принципу. Следовательно, для создания двигателя постоянного тока необходимо создать магнитное поле.Магнитное поле создается с помощью магнита. Вы можете использовать разные типы магнитов — это может быть электромагнит или постоянный магнит.
A Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами ( Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами ) представляет собой тип двигателя постоянного тока, в котором используется постоянный магнит для создания магнитного поля, необходимого для работы двигателя постоянного тока.
Вы когда-нибудь пользовались игрушкой на батарейках? Двигатель, который приводит в движение эти игрушки, представляет собой не что иное, как двигатель постоянного тока с постоянными магнитами или двигатель PMDC .Эти типы двигателей просты по конструкции.
Они обычно используются в качестве стартера в автомобилях, стеклоочистителях, омывателях, вентиляторах, используемых в обогревателях и кондиционерах, для подъема и опускания окон, а также широко используются в игрушках.
Поскольку напряженность магнитного поля постоянного магнита является фиксированной, ею нельзя управлять извне, управление полем этого типа двигателя постоянного тока невозможно.
Таким образом, двигатель постоянного тока с постоянными магнитами используется там, где нет необходимости контролировать скорость двигателя (что обычно делается путем управления магнитным полем).Небольшие дробные и субдробные двигатели кВт часто конструируются с использованием постоянного магнита.
Конструкция двигателя постоянного тока с постоянными магнитами или двигателя постоянного тока с постоянными магнитами
Как указано в названии двигателя постоянного тока с постоянными магнитами, полюса возбуждения этого двигателя в основном изготовлены из постоянного магнита.
A Двигатель постоянного тока состоит из двух частей. Статор и якорь. Здесь статор представляет собой стальной цилиндр. Магниты установлены на внутренней периферии этого цилиндра.
Постоянные магниты устанавливаются таким образом, что полюса N и S каждого магнита попеременно обращены к якорю, как показано на рисунке ниже. Это означает, что если N-полюс одного магнита обращен к якорю, то S-полюс следующего магнита обращен к якорю.
Помимо удержания магнита на его внутренней периферии, стальной цилиндрический статор также служит в качестве обратного пути для магнитного потока с низким магнитным сопротивлением.
Хотя катушка возбуждения не требуется в двигателе постоянного тока с постоянными магнитами, иногда обнаруживается, что они используются вместе с постоянными магнитами.
Это связано с тем, что если постоянные магниты теряют свою силу, эти потери магнитной силы можно компенсировать путем возбуждения поля через эти катушки возбуждения. Как правило, в этих постоянных магнитах используются редкоземельные магнитно-твердые материалы.
Ротор двигателя постоянного тока подобен другим двигателям постоянного тока. Ротор или якорь двигателя постоянного тока с постоянными магнитами также состоит из сердечника, обмоток и коллектора. Сердечник арматуры выполнен из изолированного ряда лаков, щелевого кругового проката из стальных листов.
При соединении этих круглых стальных листов один за другим образуется сердечник арматуры цилиндрической формы с прорезями. Многослойные стальные листы с лаковой изоляцией используются для уменьшения потерь на вихревые токи в якоре двигателя постоянного тока с постоянными магнитами.
Эти прорези на внешней периферии сердечника якоря используются для размещения в них проводников якоря. Проводники якоря соединены соответствующим образом, образующим обмотку якоря.
Концевые выводы обмотки присоединяются к сегментам коллектора, размещенным на валу двигателя.Как и в других двигателях постоянного тока, угольные или графитовые щетки размещаются с пружинным давлением на сегментах коллектора для подачи тока на якорь.
Принцип работы двигателя постоянного тока с постоянными магнитами или двигателя постоянного тока с постоянными магнитами
Как мы уже говорили ранее, принцип работы двигателя постоянного тока аналогичен общему принципу работы двигателя постоянного тока. То есть, когда несущий проводник попадает внутрь магнитного поля, на проводник действует механическая сила, и направление этой силы определяется правилом левой руки Флеминга.
Как и в двигателе постоянного тока с постоянными магнитами, якорь находится внутри магнитного поля постоянного магнита; якорь вращается в направлении создаваемой силы.
Здесь на каждый проводник якоря действует механическая сила F = BIL Ньютон, где B — напряженность магнитного поля в теслах (вебер/м2), I — ток в амперах, протекающий через этот проводник, а L — длина проводника в метр попадает под действие магнитного поля.
На каждый проводник якоря действует сила, и совокупность этих сил создает крутящий момент, который стремится вращать якорь.
Эквивалентная схема двигателя постоянного тока с постоянными магнитами или двигателя постоянного тока с постоянными магнитами
Как и в двигателе постоянного тока с постоянными магнитами, поле создается постоянным магнитом, нет необходимости рисовать катушки возбуждения в эквивалентной схеме двигателя постоянного тока с постоянными магнитами.
Напряжение питания якоря будет иметь падение сопротивления якоря, а остальной части напряжения питания противодействует противо-ЭДС двигателя. Следовательно, уравнение напряжения двигателя определяется как
Где I — ток якоря, а R — сопротивление якоря двигателя.
E _b — противоэдс, а V — напряжение питания.
Преимущества двигателя постоянного тока с постоянными магнитами или двигателя с постоянными магнитами
Преимущества двигателя с постоянными магнитами:
Нет необходимости в системе возбуждения возбуждения.
Не потребляется входная мощность для возбуждения, что повышает эффективность двигателя постоянного тока.
Нет катушки возбуждения, поэтому экономится место для катушки возбуждения, что уменьшает общий размер двигателя.
Дешевле и экономичнее для приложений с дробной мощностью в кВт.
Недостатки двигателя постоянного тока с постоянными магнитами или двигателя с постоянными магнитами
Недостатки двигателя постоянного тока с постоянными магнитами: реакция якоря.
Существует вероятность постоянного размагничивания полюсов (частичного) из-за чрезмерного тока якоря во время пуска, реверсирования и перегрузки двигателя.
Поле в воздушном зазоре фиксировано и ограничено – им нельзя управлять извне. Это затрудняет для этого типа двигателя достижение эффективного управления скоростью двигателя постоянного тока в этом типе двигателя.
Применение двигателя постоянного тока с постоянными магнитами или двигателя постоянного тока с постоянными магнитами
Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами широко используется там, где требуются небольшие двигатели постоянного тока, а также не требуется очень эффективное управление, например, в автомобильных стартерах, игрушках, стеклоочистителях, шайбах, вентиляторах. , кондиционеры, компьютерные дисководы и многое другое.
Двигатель постоянного тока
Электродвигатель постоянного тока или двигатель постоянного тока имеет широкое применение в современной области техники и технологий. Начиная с электробритвы и заканчивая части автомобилей, во всех малых и средних автомобилях применение Двигатели постоянного тока пригодятся. И из-за своего широкий спектр применения различные функциональные типы двигателя постоянного тока доступны на рынке для конкретных требования.
Типы двигателя постоянного тока можно перечислить следующим образом:
• DC двигатель
  • Постоянный Магнитный двигатель постоянного тока
  • Отдельно Возбужденный двигатель постоянного тока
  • Собственный Двигатель постоянного тока с возбуждением
       • Шунт Двигатель постоянного тока с обмоткой
       • Серия Двигатель постоянного тока с обмоткой
       • Соединение Двигатель постоянного тока с обмоткой
              • Накопительный составной двигатель постоянного тока
                      • Короткий Шунтирующий двигатель постоянного тока
                      • Длинный Шунтирующий двигатель постоянного тока
              • Дифференциал Составной двигатель постоянного тока
                      • Короткий Шунтирующий двигатель постоянного тока
                      • Длинный Шунтирующий двигатель постоянного тока

Сейчас давайте подробно обсудим все основные типы постоянного тока мотор.
Постоянный ток с независимым возбуждением Мотор
Как Название предполагает, что в случае двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание дается отдельно для обмотки возбуждения и обмотки якоря. Главный Отличительной чертой этих типов двигателей постоянного тока является то, что ток якоря не протекает через поле обмотки, так как обмотка возбуждения питается от отдельного внешний источник постоянного тока, как показано на рисунке рядом.
От уравнение крутящего момента двигателя постоянного тока, которое мы знаем, Tg = Ka φ IaSo крутящий момент в этом случае можно варьировать, варьируя поток поля φ, не зависящий от ток якоря Ia.
Постоянный магнит постоянного тока Мотор
Постоянный двигатель постоянного тока с магнитом состоит из обмотки якоря, как в корпус обычного мотора, но не обязательно содержит поле обмотки. Конструкция этих типов двигателей постоянного тока такова. что, радиально намагниченные постоянные магниты установлены на внутренней периферии сердечника статора для создания магнитного поля. То ротор, с другой стороны, имеет обычный якорь постоянного тока с сегменты коллектора и щетки.Схематическое изображение двигатель постоянного тока с постоянными магнитами приведен ниже.
Крутящий момент уравнение двигателя постоянного тока предполагает, что Tg = Ka φ Ia. Здесь ф всегда постоянна, так как постоянные магниты с требуемой магнитной индукцией выбираются во время строительства и не могут быть изменены там после.
Для двигатель постоянного тока с постоянными магнитами Tg = Ka1Ia
Где Ka1 = Ka.φ, что является еще одной константой. В этом случае двигателя постоянного тока можно изменить, только управляя якорем поставка.
Я Возбужденный двигатель постоянного тока
В случае двигателя постоянного тока с самовозбуждением обмотка возбуждения подключается либо в последовательно или параллельно или частично последовательно, частично параллельно обмотки якоря, и на этом основании ее дополнительно классифицируют как:-
Шунтовая обмотка постоянного тока мотор .
Серийная обмотка постоянного тока мотор .
Составная рана Двигатель постоянного тока .
Давайте Теперь углубимся в детали этих типов самовозбуждающихся постоянного тока. мотор.
Шунт Двигатель постоянного тока с обмоткой
В случае двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением или более двигатель постоянного тока с самовозбуждением и обмоткой возбуждения подвергаются воздействию всего терминального напряжения, поскольку они параллельно обмотке якоря, как показано на рис. рисунок ниже.
Кому понять характеристику этих типов двигателей постоянного тока, позволяет рассмотрите основное уравнение напряжения, заданное,

[Где Е, Eb, Ia, Ra – напряжение питания, противо-ЭДС, ток якоря и сопротивление якоря соответственно]

[назад ЭДС возрастает с увеличением потока φ и угловой скорости ωω]
Сейчас подставляя Eb из уравнения (2) в уравнение (1), мы получить,

Крутящий момент уравнение двигателя постоянного тока напоминает,
Это аналогично уравнению прямой линии, и мы можем графически представляющая характеристику скорости крутящего момента самопроизвольного шунта двигатель постоянного тока с возбуждением, как

двигатель постоянного тока с шунтовой обмоткой – это двигатель с постоянной скоростью, так как скорость здесь не меняются при изменении механической нагрузки на выход.
Серия
Двигатель постоянного тока с обмоткой
В случае двигателя постоянного тока с автовозбуждением с последовательным возбуждением или просто серии двигатель постоянного тока с обмоткой , весь ток якоря протекает через обмотку возбуждения, так как ее соединены последовательно с обмоткой якоря. Сериал ранил себя двигатель постоянного тока с возбуждением схематически представлен ниже для ясности понимание.

Теперь к определить моментно-скоростную характеристику этих типов постоянного тока двигателя, давайте перейдем к уравнению скорости крутящего момента.
Из принципиальная схема, мы можем видеть, что уравнение напряжения получает изменен на
Где как обратная ЭДС остается Eb = kaφω
Пренебрежение насыщенностью получаем,

[ т.к. ток возбуждения = ток якоря]
От уравнение (5) и (6)

Из этого уравнение мы получаем характеристику крутящего момента скорости как

В серии двигатель постоянного тока с обмоткой, скорость зависит от нагрузки. И операция мудрая это является его основным отличием от двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.
Составная рана постоянного тока Мотор
составная характеристика возбуждения в двигателе постоянного тока может быть получается путем объединения эксплуатационных характеристик обоих двигатель постоянного тока с шунтирующим и последовательным возбуждением. Составная рана самостоятельно двигатель постоянного тока с возбуждением или просто постоянного тока с составной обмоткой двигатель по существу содержит обмотку возбуждения соединенных как последовательно, так и параллельно обмотке якоря, как показано на рисунке ниже:

Возбуждение двигателя постоянного тока со сложной обмоткой может быть двух типов в зависимости от по характеру компаундирования.
Кумулятивный состав DC Мотор
Когда поток шунтирующего поля помогает основному потоку поля, создаваемому основным поле, включенное последовательно с обмоткой якоря, называется накопительный составной двигатель постоянного тока.
Дифференциальный состав Двигатель постоянного тока
В случае двигателя постоянного тока с дифференциальным составом и самовозбуждением, т.е. дифференциальный составной двигатель постоянного тока, расположение шунтирующего и последовательного обмотка такова, что поток поля, создаваемый шунтирующим полем обмотка уменьшает влияние потока основным последовательным полем обмотка.

Сеть поток, создаваемый в этом случае, меньше исходного потока и следовательно, не находит большого практического применения.
Составная характеристика двигателя постоянного тока с самовозбуждением показана на рис. рисунок ниже.
Оба кумулятивный составной и дифференциальный составной двигатель постоянного тока может либо быть коротким шунтом или длинным шунтом в зависимости от характера расположение.
Короткий Шунтирующий двигатель постоянного тока
Если шунтирующая обмотка возбуждения только параллельна обмотке якоря и не последовательная обмотка возбуждения, тогда она известна как двигатель постоянного тока с коротким шунтом или, более конкретно, составная рана постоянного тока короткого шунтового типа мотор.
Длинный Шунтирующий двигатель постоянного тока
Если Шунтирующая обмотка возбуждения параллельна как обмотке якоря, так и последовательная обмотка возбуждения, тогда она известна как длинный шунт двигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой или просто длинный шунт постоянного тока мотор.
Короткий на схеме показаны двигатели шунтового и длинного шунтирования. ниже.
4 Типы двигателей постоянного тока и их характеристики
Характеристики двигателя постоянного тока
Как вы уже знаете, есть два электрических элемента двигателя постоянного тока, обмотки возбуждения и якорь .Обмотки якоря состоят из проводников с током, которые заканчиваются на коммутаторе.
4 типа двигателей постоянного тока и их характеристики (на фото: сборщик двигателя постоянного тока мощностью 575 кВт; кредит: Педро Рапозо)
Постоянное напряжение подается на обмотки якоря через угольные щетки, которые перемещаются по коллектору. В небольших двигателях постоянного тока в качестве статора можно использовать постоянные магниты. Однако в больших двигателях, используемых в промышленности, статор представляет собой электромагнит.
При подаче напряжения на обмотки статора устанавливается электромагнит с северным и южным полюсами.Результирующее магнитное поле статично (не вращательно).
Для простоты пояснения на следующем рисунке статор представлен постоянными магнитами.
Конструкция двигателя постоянного тока
Область применения двигателей постоянного тока может быть:
Постоянный магнит (статор с постоянными магнитами),
Электромагниты, соединенные последовательно (обмоточный статор),
шунт (обмоточный статор) или
составной Статор с обмоткой).
Давайте рассмотрим основы каждого типа, а также их преимущества и недостатки.

1. Двигатели с постоянными магнитами
Двигатель с постоянными магнитами
В двигателе с постоянными магнитами используется магнит для подачи магнитного поля . Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами имеют отличный пусковой крутящий момент и хорошую регулировку скорости. Недостатком двигателей постоянного тока с постоянными магнитами является то, что они ограничены по величине нагрузки, которую они могут управлять. Эти двигатели можно найти в приложениях с низкой мощностью.
Другим недостатком является то, что крутящий момент обычно ограничивается до 150% от номинального крутящего момента , чтобы предотвратить размагничивание постоянных магнитов.
Вернуться к указателю ↑

2. Серийные двигатели
Серийный двигатель постоянного тока
В последовательном двигателе постоянного тока возбуждение подключается последовательно с якорем. Поле наматывается с помощью нескольких витков большого провода, поскольку оно должно нести полный ток якоря.
Характерной чертой серийных двигателей является то, что двигатель развивает большой пусковой момент. Тем не менее, скорость широко варьируется между без нагрузки и полной нагрузкой. Серийные двигатели нельзя использовать там, где требуется постоянная скорость при переменных нагрузках.
Кроме того, скорость последовательного двигателя без нагрузки увеличивается до такой степени, что двигатель может быть поврежден. Некоторая нагрузка всегда должна быть подключена к последовательно соединенному двигателю.
Двигатели, соединенные последовательно, как правило, не подходят для использования в большинстве приводов с регулируемой скоростью.
Вернуться к оглавлению ↑

3. Шунтирующие двигатели
Шунтирующий двигатель постоянного тока
В параллельном двигателе возбуждение соединено параллельно (шунтирую) с обмотками якоря.Двигатель с параллельным подключением обеспечивает хорошую регулировку скорости. Обмотка возбуждения может возбуждаться отдельно или подключаться к тому же источнику, что и якорь.
Преимуществом шунтирующего поля с независимым возбуждением является способность привода с регулируемой скоростью обеспечивать независимое управление якорем и полем.
Двигатель с параллельным подключением обеспечивает упрощенное управление реверсом. Это особенно полезно в рекуперативных приводах.
Вернуться к оглавлению ↑

4.Составные двигатели
Составные двигатели постоянного тока
Составные двигатели имеют поле, включенное последовательно с якорем, и отдельно возбуждаемое шунтирующее поле. Последовательное поле обеспечивает лучший пусковой момент , а шунтирующее поле обеспечивает лучшее регулирование скорости .
Однако поле серии может вызывать проблемы управления в приводах с регулируемой скоростью и обычно не используется в четырехквадрантных приводах.
Вернуться к оглавлению ↑

Двигатель постоянного тока – объяснение (ВИДЕО)

Не можете посмотреть это видео? Нажмите здесь, чтобы посмотреть его на Youtube.
Ссылка: Основы приводов постоянного тока – SIEMENS (скачать)
Электродвигатель – Энциклопедия Нового Света
Вращающееся магнитное поле как сумма магнитных векторов от трех фазных катушек
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в кинетическую энергию. Обратная задача — преобразование кинетической энергии в электрическую — решается генератором или динамо-машиной. Во многих случаях два устройства отличаются только своим приложением и незначительными деталями конструкции, а некоторые приложения используют одно устройство для выполнения обеих ролей.Например, тяговые двигатели, используемые на локомотивах, часто выполняют обе задачи, если локомотив оборудован динамическими тормозами.
Большинство электродвигателей работают за счет электромагнетизма, но также существуют двигатели, основанные на других электромеханических явлениях, таких как электростатические силы и пьезоэлектрический эффект. Фундаментальный принцип, на котором основаны электромагнитные двигатели, заключается в том, что на любой провод с током, находящийся в магнитном поле, действует механическая сила. Сила описывается законом силы Лоренца и перпендикулярна как проводу, так и магнитному полю.
Большинство магнитных двигателей являются вращательными, но существуют и линейные двигатели. В роторном двигателе вращающаяся часть (обычно внутри) называется ротором, а неподвижная часть называется статором. Ротор вращается, потому что провода и магнитное поле расположены так, что вокруг оси ротора создается крутящий момент. Двигатель содержит электромагниты, намотанные на раме. Хотя эту раму часто называют арматурой, этот термин часто применяют ошибочно. Правильно якорем называется та часть двигателя, на которую подается входное напряжение.В зависимости от конструкции машины якорем может служить либо ротор, либо статор.
Двигатели постоянного тока
Электродвигатели различных размеров. Ротор от небольшого двигателя постоянного тока 3В. Этот двигатель имеет 3 катушки, а коммутатор можно увидеть на ближнем конце.
Один из первых электромагнитных роторных двигателей был изобретен Майклом Фарадеем в 1821 году и состоял из свободно висящего провода, погруженного в ванну с ртутью. Постоянный магнит помещали в середину бассейна с ртутью.Когда по проводу пропускали ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождал круговое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируют на школьных уроках физики, но вместо токсичной ртути иногда используют рассол (соленую воду). Это простейшая форма класса электродвигателей, называемых униполярными двигателями. Более поздней доработкой является колесо Барлоу.
В другой ранней конструкции электродвигателя использовался возвратно-поступательный плунжер внутри переключаемого соленоида; концептуально его можно рассматривать как электромагнитную версию двухтактного двигателя внутреннего сгорания.Томас Дэвенпорт построил небольшой электродвигатель постоянного тока в 1834 году, используя его для движения игрушечного поезда по круговой дорожке. Он получил патент на него в 1837 году.
Современный двигатель постоянного тока был изобретен случайно в 1873 году, когда Зеноб Грамм соединил вращающуюся динамо-машину со вторым аналогичным устройством, приведя его в действие как двигатель. Машина Грамма была первым электродвигателем промышленного назначения; более ранние изобретения использовались как игрушки или лабораторные диковинки.
Классический двигатель постоянного тока имеет вращающийся якорь в виде электромагнита.Поворотный переключатель, называемый коммутатором, дважды за цикл меняет направление электрического тока, чтобы течь через якорь, так что полюса электромагнита толкают и тянут постоянные магниты снаружи двигателя. Когда полюса электромагнита якоря проходят через полюса постоянных магнитов, коммутатор меняет полярность электромагнита якоря. В этот момент переключения полярности импульс поддерживает движение классического двигателя в правильном направлении.(См. схемы ниже.)
Вращение двигателя постоянного тока
Простой электродвигатель постоянного тока. Когда на катушку подается питание, вокруг якоря создается магнитное поле. Левая сторона якоря отталкивается от левого магнита и тянется вправо, вызывая вращение.
Якорь продолжает вращаться.
Когда якорь становится горизонтально, коммутатор меняет направление тока через катушку на противоположное, меняя магнитное поле.Затем процесс повторяется.
Электродвигатель постоянного тока для раневого поля
Постоянные магниты на внешней стороне (статоре) двигателя постоянного тока могут быть заменены электромагнитами. Изменяя ток возбуждения, можно изменить соотношение скорости и крутящего момента двигателя. Обычно обмотка возбуждения размещается последовательно (последовательная обмотка) с обмоткой якоря для получения низкоскоростного двигателя с высоким крутящим моментом, параллельно (шунтовая обмотка) с якорем для получения высокоскоростного двигателя с низким крутящим моментом или для имеют обмотку частично параллельную и частично последовательную (составная обмотка) для баланса, который обеспечивает постоянную скорость в диапазоне нагрузок. Раздельное возбуждение также распространено, с фиксированным напряжением возбуждения, скорость регулируется изменением напряжения якоря. Дальнейшее снижение тока возбуждения возможно для получения еще более высокой скорости, но, соответственно, более низкого крутящего момента, что называется режимом «слабого поля».
Теория
Если вал двигателя постоянного тока вращается внешней силой, двигатель будет действовать как генератор и создавать электродвижущую силу (ЭДС). Это напряжение также генерируется при нормальной работе двигателя.Вращение двигателя создает напряжение, известное как противо-ЭДС (CEMF) или противо-ЭДС, потому что оно противодействует приложенному к двигателю напряжению. Следовательно, падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения из-за этого CEMF и паразитного падения напряжения из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря.
Поскольку CEMF пропорциональна скорости двигателя, при первом запуске или полной остановке электродвигателя CEMF равна нулю. Поэтому ток через якорь намного больше.Этот сильный ток создаст сильное магнитное поле, которое запустит двигатель. По мере вращения двигателя CEMF увеличивается до тех пор, пока не сравняется с приложенным напряжением за вычетом паразитного падения напряжения. В этот момент через двигатель будет протекать меньший ток.
Регулятор скорости
Как правило, скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна приложенному к нему напряжению, а крутящий момент пропорционален току. Регулирование скорости может быть достигнуто с помощью различных ответвлений батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления.Направление двигателя постоянного тока с возбужденным полем можно изменить, поменяв местами соединения возбуждения или якоря, но не то и другое одновременно. Обычно это делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления).
Эффективное напряжение можно изменять путем включения последовательного резистора или переключающего устройства с электронным управлением, состоящего из тиристоров, транзисторов или, ранее, ртутных дуговых выпрямителей. В схеме, известной как прерыватель, среднее напряжение, подаваемое на двигатель, изменяется за счет очень быстрого переключения напряжения питания.Поскольку соотношение «включено» и «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя изменяется. Процент времени «включения», умноженный на напряжение питания, дает среднее напряжение, подаваемое на двигатель.
Поскольку двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи. Другое применение — стартеры для бензиновых и небольших дизельных двигателей. Серийные двигатели никогда не должны использоваться в приложениях, где привод может выйти из строя (например, ременные передачи).По мере ускорения двигателя ток якоря (и, следовательно, возбуждения) уменьшается. Уменьшение поля заставляет двигатель ускоряться (см. «слабое поле» в последнем разделе), пока он не разрушится. Это также может быть проблемой с железнодорожными двигателями в случае потери сцепления с дорогой, поскольку, если их быстро не взять под контроль, двигатели могут развивать скорость намного выше, чем в обычных условиях. Это может вызвать проблемы не только для самих двигателей и шестерен, но и из-за разницы скоростей между рельсами и колесами, а также может привести к серьезным повреждениям рельсов и гусеницы, поскольку они быстро нагреваются и остывают.Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор для ослабления поля, электронное управление отслеживает ток двигателя и включает резистор для ослабления поля в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше своей нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным крутящий момент на низкой скорости.
Одним из интересных методов управления скоростью двигателя постоянного тока является регулирование Уорда-Леонарда. Это метод управления двигателем постоянного тока (обычно с шунтовой или комбинированной обмоткой), который был разработан как метод обеспечения двигателя с регулируемой скоростью от источника переменного тока (переменного тока), хотя он не лишен своих преимуществ в схемах постоянного тока. Источник переменного тока используется для привода двигателя переменного тока, обычно асинхронного двигателя, который приводит в действие генератор постоянного тока или динамо-машину. Выход постоянного тока якоря напрямую подключен к якорю двигателя постоянного тока (обычно идентичной конструкции).Шунтирующие обмотки возбуждения обеих машин постоянного тока возбуждаются через переменный резистор от якоря генератора. Этот переменный резистор обеспечивает очень хорошее управление скоростью от состояния покоя до полной скорости, а также постоянный крутящий момент. Этот метод управления был методом де-факто с момента его разработки до тех пор, пока он не был вытеснен твердотельными тиристорными системами. Он нашел применение практически в любой среде, где требовался хороший контроль скорости, от пассажирских лифтов до больших подъемных механизмов шахты и даже промышленных технологических машин и электрических кранов.Его основным недостатком было то, что для реализации схемы требовалось три машины (пять в очень больших установках, поскольку машины постоянного тока часто дублировались и управлялись тандемным переменным резистором). Во многих приложениях двигатель-генератор часто оставляли включенным постоянно, чтобы избежать задержек, которые в противном случае были бы вызваны его запуском по мере необходимости. Многие устаревшие установки Ward-Leonard все еще находятся в эксплуатации.
Универсальные двигатели
Вариант намотанного поля Двигатель постоянного тока Универсальный двигатель . Название происходит от того факта, что он может использовать переменный ток (переменный ток) или постоянный ток, хотя на практике они почти всегда используются с источниками переменного тока. Принцип заключается в том, что в двигателе постоянного тока с возбужденным полем ток как в поле, так и в якоре (и, следовательно, в результирующих магнитных полях) будет чередоваться (обратная полярность) в одно и то же время, и, следовательно, создаваемая механическая сила всегда в одном и том же направлении. . На практике двигатель должен быть специально разработан для работы с переменным током (необходимо учитывать импеданс, а также пульсирующую силу), и результирующий двигатель, как правило, менее эффективен, чем эквивалентный чистый двигатель постоянного тока .Максимальная мощность универсальных двигателей, работающих на обычных частотах сети, ограничена, а двигатели мощностью более одного киловатта встречаются редко. Но универсальные двигатели также составляют основу традиционного тягового железнодорожного двигателя. В этом приложении, чтобы сохранить их электрический КПД на высоком уровне, они работали от очень низкочастотных источников переменного тока, с частотой 25 Гц и 16 ² / ₃ герц. Поскольку это универсальные двигатели, локомотивы этой конструкции также обычно могли работать от третьего рельса, питаемого от постоянного тока.
Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться с двигателями, которые имеют типичные характеристики двигателей постоянного тока, особенно высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию при использовании высоких рабочих скоростей. Отрицательным аспектом являются проблемы с обслуживанием и коротким сроком службы, вызванные коммутатором. В результате такие двигатели обычно используются в устройствах переменного тока, таких как миксеры для пищевых продуктов и электроинструменты, которые используются только с перерывами. Непрерывное регулирование скорости универсального двигателя, работающего на переменном токе, очень легко осуществляется с помощью тиристорной схемы, а ступенчатое регулирование скорости может осуществляться с помощью нескольких ответвлений на катушке возбуждения.Бытовые блендеры, которые рекламируют много скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод, который можно вставить последовательно с двигателем (заставляя двигатель работать на полуволновом постоянном токе с 0,707 среднеквадратичного напряжения сети переменного тока). линия электропередачи).
В отличие от двигателей переменного тока, универсальные двигатели могут легко превысить один оборот за цикл сетевого тока. Это делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где требуется высокая скорость работы. Двигатели многих пылесосов и триммеров превышают 10 000 об/мин, Dremel и другие подобные миниатюрные шлифовальные машины часто превышают 30 000 об/мин.Теоретически универсальный двигатель, которому разрешено работать без механической нагрузки, будет работать с превышением скорости, что может привести к его повреждению. В реальной жизни, однако, различные трения в подшипниках, «парусность» якоря и нагрузка любого встроенного охлаждающего вентилятора — все это предотвращает превышение скорости.
Благодаря очень низкой стоимости полупроводниковых выпрямителей в некоторых приложениях, в которых раньше использовался универсальный двигатель, теперь используется двигатель постоянного тока, обычно с полем постоянного магнита. Это особенно верно, если полупроводниковая схема также используется для управления переменной скоростью.
Преимущества универсального двигателя и распределения переменного тока сделали установку системы распределения низкочастотного тягового тока экономичной для некоторых железнодорожных установок. На достаточно низких частотах производительность двигателя примерно такая же, как если бы двигатель работал на постоянном токе.
Двигатели переменного тока (переменного тока)
В 1882 году Никола Тесла открыл принцип вращающегося магнитного поля и впервые применил вращающееся силовое поле для управления машинами.Он использовал этот принцип для разработки уникального двухфазного асинхронного двигателя в 1883 году. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в статье для Королевской академии наук в Турине.
Внедрение двигателя Теслы в 1888 г. положило начало так называемой Второй промышленной революции, сделавшей возможным эффективное производство и распределение электроэнергии на большие расстояния с использованием системы передачи переменного тока, также изобретенной Теслой (1888 г.).До изобретения вращающегося магнитного поля двигатели работали, постоянно пропуская проводник через стационарное магнитное поле (как в униполярных двигателях).
Тесла предположил, что коммутаторы можно снять с машины, и устройство сможет работать на вращающемся силовом поле. Профессор Пёшель, его учитель, заявил, что это было бы похоже на создание вечного двигателя. ^[1] Тесла позже получит патент США 0416194 (PDF), Электродвигатель (декабрь 1889 г.), который напоминает двигатель, который можно увидеть на многих фотографиях Теслы.Этот классический электромагнитный двигатель переменного тока представлял собой асинхронный двигатель .
Энергия статора Энергия ротора Суммарная подведенная энергия Мощность развиваемая
10 90 100 900
50 50 100 2500
В асинхронном двигателе , поле и якорь в идеале имели одинаковую напряженность поля, а сердечники возбуждения и якоря имели одинаковые размеры.Полная энергия, подводимая к работе устройства, равнялась сумме энергии, затрачиваемой на обмотки якоря и обмотки возбуждения. ^[2] Мощность, развиваемая при работе устройства, равнялась произведению энергии, затраченной на якорь и катушки возбуждения. ^[3]
Михаил Осипович Доливо-Добровольский позже изобрел трехфазный «клетка-ротор» в 1890 году. Успешная коммерческая многофазная система генерации и передачи на большие расстояния была разработана Алмерианом Декером в Милл-Крик №1 ^[4] в Редлендсе, Калифорния. ^[5]
Компоненты и типы
Типовой двигатель переменного тока состоит из двух частей:
Внешний стационарный статор с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и;
Внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, которому вращающееся поле придает крутящий момент.
Существует два основных типа двигателей переменного тока, в зависимости от типа используемого ротора:
Синхронный двигатель, который вращается точно с частотой сети или с частотой, кратной частоте сети, и;
Асинхронный двигатель, который вращается немного медленнее и обычно (хотя и не всегда) имеет форму двигателя с короткозамкнутым ротором.
Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока
Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока мощностью 1 л.с. (746 Вт) и 25 Вт с небольшими двигателями от проигрывателя компакт-дисков, игрушек и приводов для чтения компакт-дисков и DVD-дисков.
Там, где доступно многофазное электропитание, обычно используется трехфазный (или многофазный) асинхронный двигатель переменного тока, особенно для двигателей большей мощности. Разность фаз между тремя фазами многофазного источника питания создает вращающееся электромагнитное поле в двигателе.
За счет электромагнитной индукции вращающееся магнитное поле индуцирует ток в проводниках ротора, который, в свою очередь, создает уравновешивающее магнитное поле, заставляющее ротор вращаться в направлении вращения поля.Ротор всегда должен вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазным источником питания; в противном случае в роторе не будет создаваться уравновешивающего поля.
Асинхронные двигатели являются рабочими лошадками промышленности, а двигатели мощностью до 500 кВт (670 лошадиных сил) выпускаются с строго стандартизированными размерами рамы, что делает их почти полностью взаимозаменяемыми между производителями (хотя европейские и североамериканские стандартные размеры различаются). Очень большие синхронные двигатели с выходной мощностью в десятки тысяч кВт для трубопроводных компрессоров, приводов аэродинамических труб и систем наземных преобразователей.
В асинхронных двигателях используются роторы двух типов.
Роторы с короткозамкнутым ротором: Наиболее распространенные двигатели переменного тока используют ротор с короткозамкнутым ротором, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка получила свое название из-за своей формы — кольца на обоих концах ротора с стержнями, соединяющими кольца по всей длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитая между металлическими пластинами ротора, и обычно видны только торцевые кольца.Подавляющее большинство токов ротора будет протекать через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Для стержней и торцевых колец типичны очень низкие напряжения при очень высоких токах; В высокоэффективных двигателях часто используется литая медь, чтобы уменьшить сопротивление ротора.
В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой – когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы синхронизировать ротор с полем статора.Ненагруженный двигатель с короткозамкнутым ротором на синхронной скорости будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости вращения ротора с учетом потерь на трение и сопротивление; по мере увеличения механической нагрузки будет увеличиваться и электрическая нагрузка – электрическая нагрузка неразрывно связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.
Вот почему, например, двигатель вентилятора с короткозамкнутым ротором может вызывать приглушение света в доме при запуске, но не приглушает свет при снятии ремня вентилятора (и, следовательно, механической нагрузки).Кроме того, заглохший двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничит ток (или не отключит его полностью), вероятным результатом будет перегрев и разрушение изоляции обмотки.
Практически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, автономный вентилятор, проигрыватель и т. д. использует тот или иной вариант двигателя с короткозамкнутым ротором.
Ротор с обмоткой: Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется переменная скорость.В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, как и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки соединяют контактные кольца с внешним контроллером, таким как переменный резистор, который позволяет изменять коэффициент скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с регулируемой скоростью с фазным ротором энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор.
По сравнению с роторами с короткозамкнутым ротором двигатели с фазным ротором дороги и требуют обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для регулирования скорости до появления компактных электронных устройств.Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь можно использовать для управления скоростью, а двигатели с фазным ротором становятся менее распространенными. (Транзисторные инверторные приводы также позволяют использовать более эффективные трехфазные двигатели, когда доступен только однофазный ток сети, но это никогда не используется в бытовых приборах, потому что это может вызвать электрические помехи и из-за высоких требований к мощности.)
Используется несколько методов запуска многофазного двигателя. Там, где допускается большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить от сети, подав на клеммы полное линейное напряжение (прямой пуск, DOL).Там, где необходимо ограничить пусковой ток (когда мощность двигателя велика по сравнению с мощностью короткого замыкания источника питания), используется пуск с пониженным напряжением с помощью последовательных катушек индуктивности, автотрансформатора, тиристоров или других устройств. Иногда используется метод пуска по схеме звезда-треугольник, при котором катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на треугольник, когда нагрузка достигает нужной скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке.Транзисторные приводы могут напрямую изменять приложенное напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.
Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых устройствах, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель.
Скорость в двигателе этого типа традиционно изменялась за счет дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что теперь можно изменять частоту источника питания, чтобы обеспечить более плавное регулирование скорости двигателя.
Синхронные двигатели трехфазного переменного тока
Если соединения с катушками ротора трехфазного двигателя выведены на контактные кольца и на них подается отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), то результат называется синхронным. двигатель, потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания.
Синхронный двигатель также можно использовать в качестве генератора переменного тока.
В настоящее время синхронные двигатели часто приводятся в действие транзисторными частотно-регулируемыми приводами. Это значительно облегчает задачу запуска массивного ротора большого синхронного двигателя. Их также можно запускать как асинхронные двигатели с использованием короткозамкнутой обмотки с общим ротором: как только двигатель достигает синхронной скорости, в короткозамкнутой обмотке не индуцируется ток, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. , помимо стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.
Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей.
Двухфазные серводвигатели переменного тока
Типовой двухфазный серводвигатель переменного тока имеет короткозамкнутый ротор и обмотку, состоящую из двух обмоток: 1) основной обмотки постоянного напряжения (AC) и 2) обмотки управляющего напряжения (AC) в квадратуре с основная обмотка, чтобы создать вращающееся магнитное поле. Электрическое сопротивление ротора намеренно сделано высоким, чтобы кривая скорость-момент была достаточно линейной.Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, сильно заниженными для управления нагрузкой.
Однофазные асинхронные двигатели переменного тока
Трехфазные двигатели по своей природе создают вращающееся магнитное поле. Однако, когда доступна только однофазная мощность, вращающееся магнитное поле необходимо создавать с помощью других средств. Обычно используются несколько методов.
Распространенным однофазным двигателем является двигатель с расщепленными полюсами, который используется в устройствах, требующих низкого крутящего момента, таких как электрические вентиляторы или другие мелкие бытовые приборы.В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса обмотана медной катушкой или лентой; индуцированный ток в ремешке противодействует изменению потока через катушку (закон Ленца), так что максимальная напряженность поля перемещается по поверхности полюса в каждом цикле, создавая тем самым необходимое вращающееся магнитное поле.
Другим распространенным однофазным двигателем переменного тока является двухфазный асинхронный двигатель , который обычно используется в крупных бытовых приборах, таких как стиральные машины и сушилки для белья.По сравнению с двигателем с расщепленными полюсами эти двигатели обычно могут обеспечивать гораздо больший пусковой момент за счет использования специальной пусковой обмотки в сочетании с центробежным выключателем.
В двигателе с расщепленной фазой пусковая обмотка имеет более высокое сопротивление, чем рабочая обмотка. Это создает цепь LR, которая немного сдвигает фазу тока в пусковой обмотке. При пуске двигателя пусковая обмотка подключается к источнику питания через набор подпружиненных контактов, на которые нажимает еще не вращающийся центробежный переключатель.
Фаза магнитного поля в этой пусковой обмотке смещена относительно фазы сетевого питания, что позволяет создать движущееся магнитное поле, запускающее двигатель. Как только двигатель достигает скорости, близкой к расчетной, срабатывает центробежный переключатель, размыкающий контакты и отключающий пусковую обмотку от источника питания. В этом случае двигатель работает только на рабочей обмотке. Пусковую обмотку необходимо отключить, так как это увеличит потери в двигателе.
В двигателе с конденсаторным пуском , пусковой конденсатор включен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь, которая способна к гораздо большему фазовому сдвигу (и, следовательно, к гораздо большему пусковому моменту). Конденсатор, естественно, увеличивает стоимость таких двигателей.
Другим вариантом является двигатель с постоянным раздельным конденсатором (PSC) (также известный как двигатель с конденсаторным пуском и работой). Этот двигатель работает аналогично двигателю с конденсаторным пуском, описанному выше, но в нем нет центробежного пускового выключателя, а вторая обмотка постоянно подключена к источнику питания.Двигатели PSC часто используются в устройствах обработки воздуха, вентиляторах и воздуходувках, а также в других случаях, когда требуется переменная скорость.
Репульсные двигатели представляют собой однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, аналогичные универсальным двигателям. В репульсионном двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не соединены последовательно с полем. Было изготовлено несколько типов отталкивающих двигателей, но наиболее часто использовался двигатель с отталкивающим пуском и асинхронным запуском (RS-IR).Двигатель RS-IR имеет центробежный переключатель, который закорачивает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный двигатель, когда он разогнан до полной скорости. Двигатели RS-IR использовались для обеспечения высокого пускового момента на ампер в условиях низких рабочих температур и плохого регулирования напряжения источника. По состоянию на 2006 год продается несколько репульсионных двигателей любого типа.
Однофазные синхронные двигатели переменного тока
Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут иметь намагниченный ротор (или несколько вариантов этой идеи).Роторы в этих двигателях не требуют индуктивного тока, поэтому они не скользят назад по отношению к частоте сети. Вместо этого они вращаются синхронно с частотой сети. Из-за их очень точной скорости такие двигатели обычно используются для питания механических часов, аудиопроигрывателей и ленточных накопителей; раньше они также широко использовались в точных приборах для измерения времени, таких как ленточные самописцы или приводные механизмы телескопа. Синхронный двигатель с расщепленными полюсами является одной из версий.
Моментные двигатели
Моментный двигатель — это особый вид асинхронного двигателя, способный работать неограниченное время в остановленном состоянии (с заблокированным от вращения ротором) без повреждений.В этом режиме двигатель будет прикладывать к нагрузке постоянный крутящий момент (отсюда и название). Обычным применением моментного двигателя могут быть двигатели подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимом в действие от низкого напряжения, характеристики этих двигателей позволяют прикладывать к ленте относительно постоянное легкое натяжение независимо от того, подает ли ведущая лента ленту мимо головок ленты. Приводимые в действие более высоким напряжением (и, таким образом, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут выполнять быструю перемотку вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты.В компьютерном мире моментные двигатели используются с рулевыми колесами с силовой обратной связью.
Шаговые двигатели
По конструкции с трехфазными синхронными двигателями переменного тока тесно связаны шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты или большой железный сердечник с выступающими полюсами, управляется набором внешних магнитов, переключаемых электронным способом. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и соленоидом. Поскольку на каждую катушку по очереди подается питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, при его применении двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» от одного положения к другому, поскольку обмотки возбуждения последовательно включаются и обесточиваются. В зависимости от последовательности ротор может вращаться вперед или назад.
Двигатель с постоянными магнитами
Двигатель с постоянными магнитами аналогичен обычному двигателю постоянного тока, за исключением того факта, что обмотка возбуждения заменена постоянными магнитами. При этом двигатель будет действовать как двигатель постоянного тока с постоянным возбуждением (двигатель постоянного тока с отдельным возбуждением).
Эти двигатели обычно имеют небольшую мощность, до нескольких лошадиных сил. Они используются в небольших бытовых приборах, транспортных средствах с батарейным питанием, в медицинских целях, в другом медицинском оборудовании, таком как рентгеновские аппараты. Эти двигатели также используются в игрушках и в автомобилях в качестве вспомогательных двигателей для регулировки сидений, электрических стеклоподъемников, люка на крыше, регулировки зеркал, двигателей вентиляторов, вентиляторов охлаждения двигателя и т.п.
Последней разработкой являются двигатели PSM для электромобилей.- Высокая эффективность – Минимальный запирающий момент и волнистость поверхности крутящего момента – Небольшие требования к пространству, компактные размеры – Малый вес источник [3]
Бесщеточные двигатели постоянного тока
Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимать щетки к коллектору. Это создает трение. На более высоких скоростях щеткам все труднее поддерживать контакт. Щетки могут отскакивать от неровностей поверхности коллектора, создавая искры.Это ограничивает максимальную скорость машины. Плотность тока на единицу площади щеток ограничивает мощность двигателя. Несовершенный электрический контакт также вызывает электрические помехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подвержен износу и обслуживанию. Сборка коллектора на большой машине является дорогостоящим элементом, требующим точной сборки многих деталей.
Эти проблемы устранены в бесколлекторном двигателе. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коллектора/щетки заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора.Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85-90 процентов, тогда как двигатели постоянного тока с щеточным механизмом обычно имеют КПД 75-80 процентов.
На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями находится бесщеточный двигатель постоянного тока. Построенные по принципу шаговых двигателей, они часто используют внешний ротор с постоянным магнитом , три фазы приводных катушек, одно или несколько устройств на эффекте Холла для определения положения ротора и соответствующую приводную электронику. Специализированный класс контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока использует обратную связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла для определения положения и скорости.Эти двигатели широко используются в электрических радиоуправляемых транспортных средствах, и моделисты называют их двигателями Outrunner (поскольку магниты находятся снаружи).
Бесколлекторные двигатели постоянного тока обычно используются там, где необходимо точное регулирование скорости, в компьютерных дисководах или кассетных видеомагнитофонах, шпинделях в приводах компакт-дисков, компакт-дисков (и т. д.) и механизмах в офисных устройствах, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. . Они имеют ряд преимуществ перед обычными двигателями:
По сравнению с вентиляторами переменного тока, использующими двигатели с расщепленными полюсами, они очень эффективны и работают намного медленнее, чем аналогичные двигатели переменного тока.Эта холодная работа приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора.
Без изнашиваемого коллектора срок службы бесщеточного двигателя постоянного тока может быть значительно больше по сравнению с двигателем постоянного тока, использующим щетки и коммутатор. Коммутация также имеет тенденцию вызывать сильный электрический и радиочастотный шум; без коммутатора или щеток бесщеточный двигатель можно использовать в электрически чувствительных устройствах, таких как аудиооборудование или компьютеры.
Те же самые устройства на эффекте Холла, которые обеспечивают коммутацию, могут также обеспечивать удобный сигнал тахометра для приложений с замкнутым контуром управления (управляемых сервоприводом).В вентиляторах сигнал тахометра можно использовать для получения сигнала «вентилятор в порядке».
Двигатель можно легко синхронизировать с внутренними или внешними часами, что обеспечивает точное регулирование скорости.
Бесщеточные двигатели
не имеют шансов искрения, в отличие от щеточных двигателей, что делает их более подходящими для сред с летучими химическими веществами и топливом.
Мощность современных бесщеточных двигателей постоянного тока варьируется от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более крупные бесщеточные двигатели мощностью до 100 кВт.Они также находят широкое применение в высокопроизводительных электрических моделях самолетов.
Электродвигатели постоянного тока без сердечника
Ничто в конструкции любого из двигателей, описанных выше, не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались; крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов. Преимущество этого факта заключается в том, что двигатель постоянного тока без сердечника представляет собой специализированную форму щеточного двигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого ускорения, имеют ротор без железного сердечника.Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра внутри магнитов статора, корзины, окружающей магниты статора, или плоского блина (возможно, сформированного на печатной плате), проходящего между верхним и нижним магнитами статора. Обмотки обычно стабилизируются пропиткой эпоксидными смолами.
Поскольку ротор намного легче по весу (массе), чем обычный ротор, образованный из медных обмоток на стальных пластинах, ротор может ускоряться намного быстрее, часто достигая механической постоянной времени менее 1 мс.Это особенно верно, если в обмотках используется алюминий, а не более тяжелая медь. Но поскольку в роторе нет металлической массы, которая действовала бы как радиатор, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом.
Эти двигатели обычно использовались для привода шпилей магнитных ленточных накопителей и до сих пор широко используются в высокопроизводительных системах с сервоуправлением.
Линейные двигатели
Линейный двигатель — это, по сути, электродвигатель, который был «развернут» таким образом, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает линейную силу по всей своей длине, создавая бегущее электромагнитное поле.
Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные или шаговые двигатели. Вы можете найти линейный двигатель в поезде на магнитной подвеске (Transrapid), где поезд «летает» над землей.
Электродвигатель двойного питания
Электродвигатели с двойным питанием или электрические машины с двойным питанием содержат два многофазных набора обмоток с независимым питанием, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. от субсинхронной до сверхсинхронной скорости.В результате электродвигатели с двойным питанием представляют собой синхронные машины с эффективным диапазоном скоростей постоянного момента, который в два раза превышает синхронную скорость для данной частоты возбуждения. Это в два раза превышает диапазон скоростей с постоянным крутящим моментом по сравнению с электрическими машинами с односторонним питанием, которые включают в себя один активный набор обмоток. Теоретически этот атрибут имеет привлекательную стоимость, размер и эффективность по сравнению с электрическими машинами с однократным питанием, но двигатели с двойным питанием трудно реализовать на практике.
Электрические машины двойного питания с фазным ротором, Бесщеточные электрические машины двойного питания с фазным ротором и так называемые Бесщеточные электрические машины двойного питания являются единственными примерами синхронных электрических машин двойного питания.
Электродвигатель с односторонним питанием
Электродвигатели с однополярным питанием или электрические машины с однофазным питанием включают одиночный многофазный набор обмоток, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. е. однофазные). Электрические машины с односторонним питанием работают либо по индукционному (то есть асинхронному), либо по синхронному принципу. Активный набор обмотки может иметь электронное управление для оптимальной производительности. Асинхронные машины обладают пусковым моментом и могут работать как автономные машины, но синхронные машины должны иметь вспомогательные средства для запуска и практической работы, такие как электронный контроллер.
Асинхронные (асинхронные) двигатели (т. е. с короткозамкнутым ротором или фазным ротором), синхронные двигатели (т. е. с возбуждением от возбуждения, двигатели постоянного тока с постоянными магнитами или бесщеточные двигатели постоянного тока, реактивные двигатели и т. д.), которые обсуждаются на этой странице, примеры двигателей с односторонним питанием. На сегодняшний день двигатели с односторонним питанием являются преимущественно устанавливаемым типом двигателей.
Двигатель с двойным механическим портом
Электродвигатели с двойным механическим портом (или электродвигатель DMP) считаются новой концепцией электродвигателя.Точнее, электродвигатели ДМП на самом деле представляют собой два электродвигателя (или генератора), занимающие один и тот же корпус. Каждый двигатель работает по традиционным принципам электродвигателя. Электрические порты электродвигателей, которые могут включать в себя электронную поддержку, связаны с одним электрическим портом, в то время как два механических порта (вала) доступны снаружи. Теоретически ожидается, что физическая интеграция двух двигателей в один повысит удельную мощность за счет эффективного использования неиспользуемой площади магнитного сердечника.Механика интеграции, например двух механических валов, может быть довольно экзотической.
Наномотор нанотрубки
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали подшипники вращения на основе многослойных углеродных нанотрубок. Прикрепив золотую пластину (с размерами порядка 100 нм) к внешней оболочке подвешенной многостенной углеродной нанотрубки (наподобие вложенных углеродных цилиндров), они способны электростатически вращать внешнюю оболочку относительно внутреннего ядра.Эти подшипники очень прочные; Устройства подвергались колебаниям тысячи раз без признаков износа. Работа была выполнена на месте в РЭМ. Эти наноэлектромеханические системы (НЭМС) представляют собой следующий шаг в миниатюризации, который в будущем может найти применение в коммерческих аспектах.
Процесс и технология видны на этом рендере.
Пускатели двигателей
ПротивоЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. Когда питание впервые подается на двигатель, якорь не вращается.В этот момент противо-ЭДС равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя меньше одного Ома; поэтому ток через якорь будет очень большим при подаче питания. Этот ток может привести к чрезмерному падению напряжения, влияя на другое оборудование в цепи. Или просто отключить устройства защиты от перегрузки.
Поэтому возникает необходимость в дополнительном сопротивлении последовательно с якорем для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не создаст противоЭДС.По мере увеличения вращения двигателя сопротивление постепенно отключается.
Трехточечный стартер
Входящая мощность обозначается как L1 и L2. Компоненты внутри пунктирных линий образуют трехточечный пускатель. Как следует из названия, к стартеру подключено всего три соединения. Соединения с якорем обозначены как A1 и A2. Концы катушки возбуждения обозначены как F1. и F2. Для управления скоростью полевой реостат подключается последовательно с шунтирующим полем.Одна сторона линии соединена с рычагом стартера (обозначен стрелкой на схеме). Рычаг подпружинен, поэтому он вернется в положение «Выключено», не удерживаясь ни в каком другом положении.
На первом шаге плеча к шунтирующему полю приложено полное линейное напряжение. Поскольку реостат возбуждения обычно настроен на минимальное сопротивление, скорость двигателя не будет чрезмерной; кроме того, двигатель будет развивать большой пусковой момент.
Стартер также включает электромагнит последовательно с шунтирующим полем.Он будет удерживать руку на месте, когда рука соприкасается с магнитом.
При этом это напряжение подается на шунтирующее поле, а пусковое сопротивление ограничивает поступление тока на якорь.
По мере того, как двигатель набирает скорость, создается противоэдс, рычаг медленно перемещается до короткого замыкания.
Четырехточечный стартер
Четырехточечный стартер устраняет недостаток трехточечного стартера. В дополнение к тем же трем точкам, которые использовались с трехточечным стартером, другая сторона линии, L1, является четвертой точкой, подводимой к стартеру.Когда рычаг перемещается из положения «Выключено», катушка удерживающего магнита подключается поперек линии. Удерживающий магнит и пусковые резисторы работают так же, как и в трехточечном пускателе.
Случайное размыкание цепи возбуждения маловероятно. Четырехточечный пускатель обеспечивает защиту двигателя от обесточивания. При отключении питания двигатель отключается от сети.
См. также
Компоненты:
Центробежный переключатель
Коллектор (электрический)
Контактное кольцо
Ученые и инженеры:
Приложения:
Настольная пила
Электромобиль
Коррекция коэффициента мощности
Другое:
Электротехника
Электрический элемент
Электрический генератор
Список тем по электронике
Список технологий
Теорема о максимальной мощности
Мотор-генератор
Контроллер двигателя
Способ движения
Однофазная электроэнергия
Хронология двигателей и технологии двигателей
Примечания
↑ Ранние годы Теслы PBS.орг .
↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
↑ [1] electrichistory.com .
↑ [2] redlandsweb.com .
Ссылки
Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов
Bedford, B.D., R.G. Hoft, et al. Принципы инверторных схем. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1964.ISBN 0471061344 . (Схемы инвертора используются для управления скоростью двигателя с переменной частотой)
Чиассон, Джон Н. Моделирование и высокопроизводительное управление электрическими машинами , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press, 2005. ISBN 047168449X.
Финк, Дональд Г., Х. Уэйн Бити. Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1978. ISBN 007020974X.
Фицджеральд, А. Э., Чарльз Кингсли-младший, Стивен Д. Уманс. Электрические машины. Колумбус, Огайо: McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 2002. ISBN 0073660094.
Хьюстон, Эдвин Дж., Артур Кеннелли. Современные виды динамо-электрических машин. авторское право American Technical Book Company 1897, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: P.F. Коллиер и сыновья, 1902 г. ASIN B000874XH6
.
Pelly, B. R. Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклопреобразователи. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 1971. ISBN 0471677906
Shanefield D. J. Промышленная электроника для инженеров, химиков и техников. Норидж, Нью-Йорк: Издательство Уильяма Эндрю, 2001. ISBN 0815514670.
Внешние ссылки
Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.
Кредиты
Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и дополнили статью Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства.Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:
История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :
Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.
Что такое двигатели постоянного тока и как различаются определения? Сводка для инженеров
Обновлено в мае 2019 г. || Двигатели постоянного тока — это компоненты движения, которые получают электроэнергию в виде постоянного тока (или какой-либо управляемой формы постоянного тока) и преобразуют ее в механическое вращение. Двигатели делают это за счет использования магнитных полей, возникающих из-за электрических токов, которые стимулируют вращение ротора, закрепленного на выходном валу. Выходной крутящий момент и скорость зависят от электрического входа и конструкции двигателя.
Двигатель постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую электрическую энергию в механическую.
В соответствии с наиболее распространенными на сегодняшний день отраслевыми соглашениями об именовании существует три подтипа двигателей постоянного тока: щеточные двигатели постоянного тока, двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (ПМ) и универсальные двигатели постоянного тока. Как мы увидим, есть некоторые предостережения и подклассы.
Во многих более крупных двигателях постоянного тока все еще используются щетки и обмотки… хотя двигатели с постоянными магнитами преобладают в устройствах с дробной и интегральной мощностью ниже 18 л.
Какие типы двигателей постоянного тока существуют? Это щеточные серводвигатели постоянного тока Pittman серии 8000.
Некоторые инженеры называют щеточные двигатели постоянного тока двигателями с раневым полем, поскольку электромагнитное поле создается намотанной и покрытой лаком катушкой из медной проволоки. Некоторые инженеры также утверждают, что все двигатели постоянного тока являются щеточными двигателями постоянного тока и что термин «бесщеточный двигатель постоянного тока» является неправильным.
Независимо от термина, существуют двигатели постоянного тока с постоянными магнитами, параллельные, последовательные и щеточные двигатели постоянного тока с составной обмоткой.
Все, кроме первого, используют два тока:
1. Ток через обмотки якоря (ротора) для взаимодействия с магнитным полем статора (для вывода механического вращения) и
2. Ток через обмотки статора для создания рассматриваемого магнитного поля.
Напротив, щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами используют:
1. Ток через обмотки якоря (ротора) для взаимодействия с магнитным полем статора (для вывода механического вращения) и
2. Постоянные магниты на статоре для создания рассматриваемого магнитного поля.
Катушки якоря и катушки возбуждения в двигателе с параллельной обмоткой подключаются параллельно , поэтому ток возбуждения пропорционален нагрузке на двигатель.
Якорь и катушки возбуждения в двигателе с последовательной обмоткой соединены в серию , поэтому ток проходит только через катушки возбуждения.
Катушки якоря и обмотки возбуждения в двигателях с составной обмоткой включают как последовательные, так и шунтирующие обмотки.
Независимо от установки, щеточные двигатели постоянного тока имеют коммутаторы и щеточные контакты для передачи тока на медные обмотки вращающегося ротора. Конструкторы могут управлять скоростью, изменяя напряжение ротора (и ток вместе с ним) или изменяя магнитный поток между ротором и статором посредством регулировки тока обмотки возбуждения. Ориентация щеток на сегменты коллекторной шины ротора механически управляет коммутацией фаз.
Прочтите статью по теме: Что такое двигатели постоянного тока без сердечника?
Фактически, то, как щеточные двигатели постоянного тока позволяют разработчикам управлять обмотками возбуждения и ротора , означает, что они подходят для приложений, требующих простого и экономичного управления крутящим моментом и скоростью.
Тем не менее, расширенная функциональность электроники для двигателей с постоянными магнитами означает, что это преимущество менее выражено, чем раньше. Что еще хуже, ток как на роторе, так и на статоре выделяет тепло, которое ограничивает номинальные значения постоянного тока двигателей. Двигатели также представляют опасность искрообразования, поэтому их нельзя использовать во взрывоопасных условиях. В определенные периоды вращения двигателя постоянного тока коммутатор должен реверсировать ток, сокращая срок службы двигателя из-за искрения и трения. Таким образом, коллекторные двигатели постоянного тока требуют большего обслуживания в виде замены пружин и щеток, по которым проходит электрический ток, а также замены или очистки коллектора.Эти компоненты важны для передачи электроэнергии снаружи двигателя на обмотки вращающейся катушки ротора внутри двигателя.
Примечание. Щетки в щеточных двигателях постоянного тока изнашиваются и требуют замены, а частицы износа щеток означают, что конструкторы не должны использовать щеточные двигатели постоянного тока в чистых помещениях. То же самое относится и к приложениям, требующим высокой точности, поскольку трение от зацепления щетки с коммутатором приводит к длительному времени установления положения.
Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением
Как уже упоминалось, якорь (ротор) и катушки возбуждения в двигателях с последовательным возбуждением соединены последовательно.Это означает, что весь ток якоря (ротора) проходит на обмотку возбуждения. Таким образом, этим двигателям требуется только один источник входного напряжения. Крутящий момент равен току в квадрате. Увеличение тока якоря (ротора) вызывает увеличение тока возбуждения. Рекуперативное торможение невозможно; ток возбуждения схлопывается, когда ток ротора проходит через ноль и меняется на противоположное.
Крутящий момент является самым высоким, когда двигатель останавливается, потому что якорь (ротор) не создает противоэлектродвижущую силу (bЭДС) в состоянии покоя. Когда якорь (ротор) разгоняется, бЭДС увеличивается.Это, в свою очередь, снижает эффективный ток, напряжение и крутящий момент. Без нагрузки мотор разгоняется до опасных скоростей. Напротив, увеличение нагрузки замедляет двигатель, но снижает bЭДС… и увеличивает крутящий момент для вращения нагрузки.
Двигатели с последовательным возбуждением
не могут хорошо регулировать скорость, так как управление скоростью зависит от регулировки напряжения питания. Несмотря на это, они недороги и могут управлять конструкциями, требующими высокого пускового момента. Например, двигатели с последовательным возбуждением применяются конструкторами в маломощных и мощных автомобильных механизмах, потребительских товарах (электроинструментах, игрушках, швейных машинах), промышленных тяговых приводах с фиксированной и переменной скоростью.Конструкторы могут реверсировать двигатели с последовательной обмоткой, меняя местами соединения обмотки возбуждения или якоря (ротора).
Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением
Как уже упоминалось, обмотки якоря и катушки возбуждения в двигателе с параллельными обмотками соединены параллельно… поэтому ток возбуждения пропорционален нагрузке на двигатель. Вход переменного напряжения позволяет регулировать скорость. Подайте фиксированное напряжение на двигатель с параллельной обмоткой, чтобы он работал с постоянной скоростью. Затем подайте увеличивающийся ток двигателя на двигатель с параллельной обмоткой, чтобы увеличить крутящий момент без значительного замедления.
В двигателях с параллельным возбуждением обмотка возбуждения (статора) соединяется параллельно с обмоткой якоря (ротора).
В этих двигателях технология, называемая ослаблением поля, позволяет управлять скоростью, не заставляя элементы управления изменять входное напряжение. Реостат с обмоткой возбуждения уменьшает ток возбуждения (статора), а вместе с ним и магнитный поток между якорем и полем — через разделяющий их воздушный зазор. Скорость обратно пропорциональна потоку, поэтому двигатель ускоряется. Одно предостережение: крутящий момент прямо пропорционален потоку, поэтому ускорение сопровождается уменьшением выходного крутящего момента.
Стабилизирующие обмотки предотвращают ускорение при увеличении нагрузки при настройках слабого поля. Единственная загвоздка в том, что реверсивные приложения требуют реверса этой обмотки, чтобы идти с реверсом напряжения якоря (ротора). Это требует реверсивных контакторов. Поэтому для реверсивного движения иногда производители просто проектируют шунтирующие двигатели с более высокой стабильностью и опускают стабилизирующие обмотки.
Примечание. Работа щеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами во многом аналогична работе двигателя с параллельным возбуждением, за исключением режима создания магнитного поля.
Реверсирование соединений двигателя с параллельной обмоткой либо на обмотках ротора, либо на поле меняет направление вращения двигателя на противоположное; самовозбуждение поддерживает поле, когда ток ротора меняется на противоположный, что означает, что двигатели могут регенеративно тормозиться.
Двигатели с параллельным возбуждением для привода станков и автомобильных вентиляторов и стеклоочистителей.
Двигатели с комбинированной обмоткой
Двигатели с раздельным возбуждением (иногда называемые двигателями с комбинированной обмоткой) представляют собой щеточные двигатели постоянного тока с независимыми источниками питания возбуждения (статор) и якоря (ротор)… для лучшего контроля выходной мощности двигателя.Входное напряжение на любой обмотке может управлять выходной скоростью и крутящим моментом двигателя. Большинство производителей изготавливают двигатели с комбинированной обмоткой с последовательными и параллельными обмотками возбуждения (ротора). Направление, сила и направление двух обмоток определяют кривые скорость-крутящий момент двигателя.
Двигатели с комбинированной обмоткой хорошо подходят для тяги в автомобилях или железнодорожных поездах.
Прочтите статью по теме: Что такое двигатели постоянного тока с постоянными магнитами и какие они бывают?
Таким образом, двигатели постоянного тока генерируют магнитное поле с помощью электромагнитных обмоток или постоянных магнитов.
Это бесщеточный двигатель постоянного тока.
В коллекторном двигателе постоянного тока магнит действует как статор. Якорь встроен в ротор, а коммутатор переключает ток. Функция коммутатора заключается в передаче тока от фиксированной точки к вращающемуся валу. Коллекторные двигатели постоянного тока генерируют крутящий момент непосредственно от постоянного тока, подаваемого на двигатель, с помощью внутренней коммутации, фиксированных постоянных магнитов и вращающихся электромагнитов.
Бесщеточные двигатели постоянного тока
(BLDC), с другой стороны, отказываются от механической коммутации в пользу электронной коммутации, что устраняет механический износ, связанный с щеточными двигателями постоянного тока.В двигателях BLDC постоянный магнит размещен в роторе, а катушки размещены в статоре. Обмотки катушки создают вращающееся магнитное поле, потому что они электрически отделены друг от друга, что позволяет их включать и выключать. Коммутатор BLDC не подает ток на ротор. Вместо этого поле постоянного магнита ротора следует за вращающимся полем статора, создавая поле ротора.
Прочтите статью по теме:
Что такое бесщеточные двигатели постоянного тока? Техническое резюме для инженеров
Двигатель постоянного тока с электрическим возбуждением – HomoFaciens

Новости Проэкт Технология РобоСпатиум Способствовать Предметный указатель Скачать Ответы Игры Советы по покупкам Контакт
<<< Двигатель постоянного тока (постоянные магниты)         Шаговый двигатель >>>
Детали конструкции
Рисунок 1:
Элементы электродвигателя постоянного тока с обмоткой статора:
(1) Статор
(2) Катушка статора
(3) Коммутатор
(4) Щетки
(5) Ось вращения
(6) Ротор
(7) Катушка ротора
Функциональность
В принципе, двигатели постоянного тока с витым статором работают так же, как двигатели с постоянными магнитами, описанные в предыдущей главе.Единственное отличие состоит в том, что магнитное поле статора создается дополнительным индуктором, работающим как электромагнит, вместо использовавшихся до сих пор постоянных магнитов.
На рисунке выше ротор состоит из трех катушек вместо двух катушек, используемых в двигателе из предыдущей главы. Кроме того, скользящие контакты расположены не по вертикали, а по перпендикулярной линии. В результате этих модификаций крутящий момент, создаваемый двигателем, выше в некоторых режимах работы.
Если обмотка статора соединена последовательно с катушкой ротора, двигатель называется двигателем с последовательным возбуждением. В двигателях с параллельным возбуждением обмотки якоря и статора соединены параллельно. Если обмотка статора подключена к независимому источнику напряжения, это называется двигателем с независимым возбуждением (sepex).
При изменении полярности катушки статора меняется и направление вращения. Если полярность обмотки статора меняется так же, как и якоря, направление вращения сохраняется.
Рисунок 2: (Начать анимацию.)
Двигатель постоянного тока с электрическим возбуждением:
Направление вращения против часовой стрелки с полярностью, указанной на этом чертеже.
Рисунок 3: (Начать анимацию.)
Двигатель постоянного тока с электрическим возбуждением:
Направление вращения по часовой стрелке с полярностью, указанной на этом чертеже.
Рисунок 4: (Начать анимацию.)
Двигатель постоянного тока с электрическим возбуждением:
Если через катушку статора не протекает ток , двигатель вращается против часовой стрелки. Это вызвано взаимодействием между магнитным полем катушки якоря и железным сердечником статора (см. Энергия магнитных полей). Концы обмотки якоря, подключенные к источнику напряжения, притягивают железо статора, в результате чего создается крутящий момент, действующий против часовой стрелки.
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Рубрики
Винторезные станки
Вопросы и ответы
Карусельные станки
Советы мастера
Станок 1М63
Токарные станки
Фрезерные станки
Разное
2019 © Все права защищены. Карта сайта