Устройство машин постоянного тока | Электротехника
Устройство статора.
Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем. Эскиз машины постоянного тока показан на рис. 1.1, а общий вид с разрезом — на рис. 1.2.
Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнительных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щеточной траверсы со щетками 6.
Станина имеет кольцевую форму и изготовляется из стального литья или стального листового проката. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию магнитопровода.
Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полюсов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в машинах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные магниты).
Дополнительные полюсы устанавливаются между главными и служат для улучшения условий коммутации.
Подшипниковые щиты закрывают статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса, которая с целью регулирования может поворачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электрически изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели со щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.
Устройство якоря.
Вращающаяся часть машин – якорь 9 (рис. 1.1, 1.2, а, б) состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5.
Сердечник имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов листовой электротехнической стали, на внешней поверхности которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря.
Коллектор (рис.
1.3) набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса 3миканитовыми прокладками 2, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.
Рис. 1.3
Устройство электрических машин постоянного тока
Страница 5 из 14
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА И КОНСТРУКЦИИ ИХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ДЕТАЛЕЙ
Электротехническая промышленность выпускает электрические машины постоянного тока большой номенклатуры по мощности и конструктивному исполнению, поэтому несмотря на некоторые различия в конструкции отдельных сборочных единиц и деталей, их устройство одинаково. Основным типом машины постоянного тока является коллекторная, отличительным признаком которой служит наличие коллектора на валу якоря машины. На статоре машины помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюса.
100) состоит из статора, якоря, коллектора, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.Статор состоит из станины б, главных полюсов 4 и добавочных полюсов (на рисунке не показаны) с соответствующими катушками. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является часть о магнитной цепи, поскольку через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления полюсов.
Главные полюса (рис. 101) выполняют шихтованными из стальных штампованных листов стали толщиной 1 или 2 мм, а добавочные — массивными или также шихторанными. Стальные листы сердечника 2 полюсов спрессованы и скреплены заклепками 4, головки которых утоплены в нажимные щеки 5, установленные на торцах каждого полюса.
Рис. 100. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор, 2 — щетки, 3 и 9 — сердечник и обмотка якоря, 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, б — станина (корпус) 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал —
Рис.
101. Главные полюса электрической машины постоянного тока и способы их крепления:а — болтом, б — стержнем; 1 — полюсный наконечник, 2 — сердечник полюса, 3 — болт крепления сердечника, 4 — заклепка, 5 — нажимные щеки, б — установочный стержень
. Рис. 102. Катушки полюсов
а — главного, б — добавочного; 1 — катушка обмотки, 2 и 4 — главный и добавочный полюса» 3 — опорный угольник, 5 — обмотка
Шихтованными могут изготовляться только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако исходя из технологического добавочного полюса удобства изготовления полюсов их обычно делают шихтованными.
Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Для уменьшения искрения под щетками и предупреждения таким образом подгара пластин коллектора и образования на его поверхности «кругового огня» машина снабжена добавочными полюсами с катушками, установленными на их сердечниках. Добавочные полюса размещают между главными полюсами и крепят к станине болтами.
Катушки главных и добавочных полюсов (рис 102, а, б) изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.
Рис. 103. Сердечник якоря машины постоянного тока:
1 — вал, 2 — обмоткодержатель, 3 — выточки для наложения, бандажа, 4 — место посадки коллектора на валу
Катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, поэтому сечение их проводов рассчитано на рабочий ток машины. В некоторых мощных машинах постоянного тока обмотку полюса выполняют из нескольких секций с установкой между ними дистанционных шайб из изоляционных материалов, образующих вентиляционные каналы.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник, якоря (рис. 103) собран из штампованных листов электротехнической стали (рис. 104) с выштампованными в них вырезами определенной формы, образующими в собранном сердечнике пазы для укладки в них обмотки якоря. Листы сердечника обычно изолированы с двух сторон тонкой пленкой лака, но могут быть и оксидированы. Собранные в общий пакет листы образуют сердечник, насаженный на вал якоря и закрепленный на нем с помощью нажимных шайб. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в сердечнике от действия вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря обычно имеются вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха. Сердечник, в пазы которого уложена секция обмотки якоря, показан на рис. 105.
Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны различных якорных катушек,— одну поверх другой. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря в пазах используют деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Деревянные клинья, широко применявшиеся в электродвигателях старых конструкций, не обеспечивают надежного крепления обмотки в пазах сердечника, поскольку при высыхании настолько уменьшаются в объеме, что могут выпасть из паза. В некоторых Конструкциях машин пазы не расклинивают, а обмотку крепят бандажом.
Рис. 105. Расположение секций обмотки якоря в пазах сердечника
Рис. 104. Стальной лист сердечника якоря:
1 — зубец листа, 2 — изоляция, 3 — паз
Бандаж выполняют из немагнитной стальной проволоки, наматываемой с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателю также при помощи бандажа. В современных машинах для бандажирования якорей используют стеклоленту.
Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в форме «ласточкина хвоста», служащие для закрепления медных пластин и миканитовой изоляции.По способу закрепления комплекта медных и миканитовых пластин различают коллекторы на пластмассе (рис. 106,а) и со Стальными нажимными конусами и втулкой (рис. 106,5). Коллекторы крепятся нажимными конусами двумя способами: при одном их них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность «ласточкина хвоста», а при другом — на «ласточкин хвост» и конец пластины, при этом пластины закрепляются враспор.
Коллекторы первым способом крепления называют арочными, а вторым способом — клиновыми. Чаще всего применяют арочные коллекторы, поскольку при ослаблении давления между их пластинами из-за усадки межпластинной миканитовой изоляций эти коллекторы можно предпрессовывать, восстанавливая таким образом необходимое сжатие пластин и прочность коллекторов.
Рис. 106. Коллекторы электрических машин:
а — на пластмассе, б — с нажимными конусами; / и 7 — пластины коллектора, 2 — пластмасса, 3 и 11 — втулки, 4 — нажимной конус, 5 — гайка, 6 и 10 — манжеты, 8 — изолирующий цилиндр, 9 — шнур, /2— балансировочный груз
Щеточный аппарат (рис.
107) состоит из траверсы, щеточных пальцев и щеткодержателей. Траверса (рис. 107, а) служит для крепления на ее щеточных пальцах щеткодержателей (рис. 107, б, в, г), создающих необходимую электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы и нажимного устройства, обеспечивающего прилегание щетки к коллектору с необходимым усилием. Давление (0,02 — 0,04 МПа) на щетку должно быть отрегулировано так, чтобы был плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.Щетка (рис. 108) представляет собой прямоугольный брусок из композиций, выполненных на основе графита. Она снабжена гибким медным канатиком 7, один конец которого заармирован в щетку, а другой свободный — снабжен наконечником 2 для присоединения к щеточному аппарату.
Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины.Рис. 107. Щеточный аппарат электрических машин постоянного тока:
а — траверса, б и в — радиальные щеткодержатели, г — реактивный щеткодержатель; 1 — пальцы (бракеты), 2 — рычаг, 5, 8 и 15 — пружины, 4 — корпус, 5 и 11 — щетки, б — обойма, 7 — фарфоровый наконечник, 9 — хомутик, 10 — штифт, 12 — стенка обоймы, 13 — храповик, 14 — колечко пружины
Применяемые в машинах постоянного тока щетки имеют маркировку, характеризующую их состав и физические свойства. Щетки, используемые в машинах общепромышленного назначения, подразделяются на три основные группы: графитные, угольно-графитные и медно-графитные. В целях нормальной работы и продления срока службы коллектора следует применять для каждой машины щетки только той марки, которая определена заводом-изготовителем с учетом мощности, конструкции, условий работы и электрической характеристики машины.
Подшипниковые щиты электрических машин служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также — опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.
Рис. 108. Щетки:
а — машин малой и средней мощности, б — машин большой мощности; 1 — щеточный канатик, 2 — наконечник
В электрических машинах постоянного тока применяют различные подшипниковые щиты, отличающиеся друг от друга формой, размером и материалом, из которого они изготовлены. Однако несмотря на большое разнообразие конструкций подшипников щиты можно разделить по назначению на два основных вида: обычные и фланцевые для установки и крепления непосредственно на исполнительном механизме.
В ряде случаев электрические машины постоянного тока могут иметь комбинированную систему крепления (рис. 109), т. е. станину с лапами для установки и крепления на Опорной конструкции и одновременно фланцевый подшипниковый щит для крепления на исполнительном механизме.
Рис. 109. Электрическая машина со станиной для крепления на опорной конструкции и подшипниковым щитом для крепления на исполнительном механизме:
1 — возбудитель, 2 и 4 г- передний и задний подшипниковые щиты, 3 — станина, 5 — зубчатая шестеренка
Подшипниковые щиты электрических машин постоянного тока изготовляют методом литья (преимущественно из стали, реже из чугуна и сплавов алюминия), а также сварки или штамповки.
В центре щита имеется расточка под подшипник, в которой устанавливают шариковый или роликовый подшипник качения. В мощных машинах постоянного тока в ряде случаев используют подшипники скольжения.
Рассмотренные вопросы
Какими основными показателями характеризуются электрические машины?
Какие исполнения электрических машин вы знаете?
Каково устройство синхронной машины?
Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного?
Названы основные части машины постоянного тока и укажите их назначение:
Перечислены механические причины искрения щеток машины постоянного тока.
Расскажите об устройстве коллектора машины постоянного тока и его роли.
Конструкция машин постоянного тока
Машина постоянного тока состоит из двух систем: из неподвижной части — статора и подвижной — якоря. Статор состоит из корпуса, в котором укрепляются 2 вида полюсов: главные полюса, на которых располагается обмотка возбуждения и добавочные полюса, которые служат для улучшения работы машины.
Главные полюса собирают из листочков электротехнической стали (рис. 1), добавочные полюса также собирают из листочков электротехнической стали (рис. 2).
Главные полюса имеют башмак, который служит для растягивания магнитного поля вдоль окружности расточки якоря.
Главный полюс машины постоянного тока.
На главные и добавочные полюса надевается обмотка, которая изготавливается двумя способами: либо на каркасе, либо на гильзе.
Собранное по длине машины железо полюсов с одетыми на них обмотками пропитывается лаком и сушится в печах, в результате чего полюса представляют собой монолит, который с помощью болтов крепится в корпус.
Вращающаяся часть машины постоянного тока называется якорь и состоит из двух частей: обмотки якоря и коллектора.
Обмотка якоря укладывается в электротехническое железо круглой формы. На наружной части железа штампуются пазы. Железо круглой формы набирается из отдельных листочков электротехнической стали, набирается по длине, равной длине полюса и сажается на вал горячей посадкой.
В зависимости от мощности машины в железе якоря вырезаются пазы разной формы.
Для машин мощностью до 50 кВт пазы якоря делают грушевидной формы.
В пазы грушевидной формы укладывается обмотка круглого сечения, которая называется всыпной.
В электрических машинах мощностью более 50 кВт делаются пазы прямоугольного сечения с параллельными стенками.
И в эти пазы укладывается обмотка из проводов прямоугольного сечения.
Все провода круглого сечения поступают на электромашиностроительные заводы покрытые эмалевой изоляцией.
В пазы укладывается изоляция, которая называется корпусной.
Полузакрытый паз грушевидной формы с обмоткой и изоляцией: 1 — Гетинаксовый клин; 2 — Изолированные проводники; 3 — Прокладка из стеклоткани толщиной 0,18 мм; 4 — Прокладка из электрокартона толщиной 0,2 мм; 5 — Стеклолакоткань эскапоновая толщиной 0,18 мм; 6 — Электрокартон толщиной 0,2 мм.
Все обмотки якорей машин постоянного тока изготавливаются двухслойными, при этом кладут прокладку.
В отличие от всыпной, секции жесткой обмотки изготавливаются отдельно, и готовые секции укладываются в паз.
Все провода прямоугольного сечения поступают без изоляции, поэтому сначала их изолируют на специальных станках хлопчатобумажными, шелковыми или виниловыми нитками. Изолированные провода прямоугольного сечения собираются в секции.
Укладка обмотки в пазу: 1 — Сторона секции верхнего слоя; 2 — Сторона секции нижнего слоя.
Открытый паз прямоугольной формы с обмоткой и изоляцией: 1 — Деревянный клин; 2 — Прокладка из электрокартона; 3 — Проводник изолированный; 4 — Синтетическая лента или микалента толщиной 0,13 мм; 5 — Синтетическая пленка или микафолий толщиной 0,15 мм; 6 — Телефонная бумага; 7 — Электрокартон толщиной 0,2 мм; 8 — Прокладка из электроепртона.
Уложенную в пазы обмотку соединяют с коллектором.
Коллектор состоит из фигурной шайбы, напрессованной на вал якоря. В эту фигурную шайбу вставляют коллекторные пластины.
На коллекторной пластине имеются петушок, в который запаиваются концы обмотки якоря и ласточкин хвост, который служит для закрепления коллекторной пластины в фигурной шайбе.
Коллектор машины постоянного тока.
Ширина коллекторной пластины колеблется от 3 до 7 мм в зависимости от мощности машины.
Для придания машине постоянного тока формы и жесткости с корпусом статора соединяются крышки. В крышки запрессовываются подшипники, а сама крышка вставляется в вал.
Крышки бывают двух видов. Со стороны выходного вала крышка бывает закрытая и, как правило, с упорными подшипниками. Крышка со стороны коллектора имеет специальную конструкцию.
Крепление щеточного пальца к траверсе: 1 — Палец; 2 — Траверса; 3 — Изоляция; 4 — Шина токособирательная.
В крышке укрепляется траверса — это стальной круг с прорезями, которые служат для того, чтобы круг можно было двигать относительно геометрической нейтрали. К траверсе жестко крепятся щеткодержатели.
Щеткодержатель состоит из кармана для щеток, удерживающих пружин и изолированной прокладки, на которую крепится вывод от щетки.
Щеткодержатель со щеткой: 1 — Обойма щеткодержателя; 2 — Щетка; 3 — Пружина нажимная; 4 — Кабель токоведущий; 5 — Колодки для крепления к пальцу.
Принцип действия, устройство электрических машин постоянного тока
По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Несмотря на большое разнообразие конструкций, общие принципы работы электрических машин одинаковы. Все современные электрические машины работают на основе явлений электромагнитной индукции.
Постоянным называется ток, протекающий по проводнику только в одном направлении. Получение постоянного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока путем его выпрямления при помощи специальных устройств-выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.
Простейший генератор постоянного тока (рис. 168, а и б) имеет полюсы электромагнита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и Б, вращающимся вместе с витком.
Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала и представляют из себя в простейшем виде коллектор, служащий для выпрямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются неподвижные щетки I и II, по которым ток с полуколец А и Б направляется во внешнюю цепь. При вращении в магнитном поле в рамке будет индуктироваться переменная по величине и направлению электродвижущая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. При этом направление э. д. с., индуктируемой в каждый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки.
В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полукольца меняют щетки (рис.
168, а и б), поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по величине. График изменения э.д.с. в витке можно изобразить кривой, показанной на схеме в (рис. 168), а график изменения тока во внешней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, изображенный на схеме г. Как видно из последнего графика, э.д.с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по величине от нуля до максимума, снова до нуля и т. д. Поэтому э.д.с. в таком виде имеет большую пульсацию, и ток, протекающий по замкнутому контуру, носит название пульсирующего. Чтобы «сгладить» пульсацию и получить ток во внешней цепи, близкий к постоянному по величине, в генераторах устанавливают не один виток с двумя полукольцами, а очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относительно друг друга на небольшой угол и при вращении всех витков пульсация значительно уменьшается.
В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине.
На практике в генераторах берется такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э.д.с. имеет совершенно незначительную пульсацию (порядка 1% от среднего значения э.д.с.) и ее величина поэтому
считается постоянной.
Конструкции основных элементов генераторов и двигателей постоянного тока, вследствие общности их принципов и обратимости работы, одни и те же.
На рис. 169 показаны основные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных частей: станины с закрепленными в ней полюсами — электромагнитами, якоря с обмоткой и коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего подшипниковых щитов.
Станиныу современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выполняются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьмигранные, круглые и т. д.).
К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников (рис.
170).
Вследствие общности принципов работы основные элементы конструкции генераторов и дви¬гателей постоянного тока одни и те же.
Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного поля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное (2, 4, 6 и более). При этом северные и южные полюсы чередуются между собой. Полюсные сердечники, как и полюсные наконечники, собираются из отдельных листов (пластин) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечники полюсов изготовляются отдельно от станины и крепятся к ней, как это показано на рис.
170.
Якорь — вращающаяся часть машины — служит для несения обмотки, в которой индуктируется переменная э.д.с.; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сердечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга специальной тонкой бумагой или покрытых изолирующим лаком. Отдельные листы сердечника якоря штампуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверхности якоря образовались пазы, в которые затем укладываются секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Секции обмоток соединяются между собой в определенной последовательности.
Набранный таким образом якорь надевается на стальной вал машины, на котором он закрепляется при помощи шпонки.
На одном валу с якорем насажен коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала ма¬шины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаивается начало од¬ной и конец другой секции.
Пластины изготовляются из твердо¬тянутой меди соответствующего профиля и изолируются друг от друга прокладками из миканита (склеенные под давлением листочки слюды). Для соединения коллекторных пластин с кон¬цами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление, в которое вводят (вбивают) концы секций, произведя их пайку.
Коллектор является одной из наиболее ответственных частей электрической машины.
Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателями. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать искрения, повышения сопротивления и нагрева.
В современных электрических машинах применяют угольные, меднографитные и графитные щетки.
Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый междужелезным пространством.
На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения машины с сетью. Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся — ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда называется индуктором)—статором.
Похожие статьи
виды и принцип их работы
Машины постоянного тока представляют собой возвратную электрическую машину, в которых происходит процесс преобразования энергии. В машинах, где механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами. Они предназначены для выработки электроэнергии. Для работы необходимо наличие какого-либо двигателя (дизеля, паровой или водяной турбины), который будет вращать вал генератора.
Обратное преобразование энергий происходит в электродвигателях. Они приводят в движение колесные пары локомотивов, вращают валы вентиляторов и т.
д. Для работы необходимо подсоединение электродвигателя с источником электроэнергии посредством проводов.
Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.
Эти машины включают в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.
Вращающаяся часть, или ротор, в электрических машинах постоянного тока именуются якорем. Якорь, снабженный коллектором, в электродвигателях играет роль преобразователя частоты, а в генераторах – выпрямителя.
При вращении машины происходит перемещение якоря и статора относительно друг друга. Статор создает магнитное поле, а в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Возникает ток, который при воздействии с магнитным полем создает электромагнитные силы, отвечающие за процесс преобразования энергии.
Электрические машины постоянного тока в зависимости от наличия или отсутствия коммутации бывают обычными и униполярными, а по расположению вала — вертикальными и горизонтальными.
По типу переключателей тока их можно подразделить на машины с щеточно-коллекторным и электронным переключателем. Последние называются еще вентильными электродвигателями.
По мощности они делятся на микромашины мощностью до 0,5 кВт, а также, машины малой, средней и большой мощности — 0,5-10 кВт, 10-200 кВт и более 200 кВт соответственно.
По частоте вращения различают тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300-500 об/мин), быстроходные (1500-6000 об/мин) и сверхбыстроходные (более 6000 об/мин) электрические машины постоянного тока.
Конструкция машин постоянного тока
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Несмотря
на преимущественное распространение
электроэнергии переменного тока в ряде
отраслей промышленности широко
используется и постоянный ток.
В связи
с этим находят широкое применение
электрические машины постоянного тока.
Двигатели постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию, которая передается через вал рабочему органу приводного механизма.
Двигатели постоянного тока обладают важными преимуществом перед другими электродвигателями: они позволяют плавно и в широких пределах регулировать скорость вращения и обладают большим пусковым и перегрузочными моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении.
Двигатели постоянного тока применяются:
— в электроприводах главного движения и подач металлорежущих станков, штамповочных машин, роботов и манипуляторов, прокатных станов металлургического производства, некоторых типов грузоподъемных механизмов;
— в тяговых электроприводах транспортных средств мощных тягачей различного назначения, трамваев, троллейбусов, тепловозов;
— в электроприводах роторов мощных снегоочистителей;
—
как исполнительные элементы автоматических
систем управления технологическими
процессами и производственными
установками.
Машины постоянного тока – обратимые. Они могут работать и как генератор и как двигатель. Конструктивно генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково. На рис. 5.1 показан продольный разрез двигателя постоянного тока.
Рис. 5.1 -Общий вид двигателя постоянного тока:
1-коллектор, 2 — щеточный аппарат, 3 – якорь, 4 – главные полюса, 5 – катушка обмотки возбуждения, 6 – станина, 7 и 12 подшипниковые щиты, 8 — вентилятор, 9 – лобовые части обмотки статора, 10 — вал, 11-лапы
Машины постоянного тока состоит из двух основных частей: статора – неподвижной части и подвижной части – ротора. В машинах постоянного тока ротор называется якорем.
Основными конструктивными элементами
машин постоянного тока (рис. 5.1) являются
станина 6 с закрепленными на ней главными
4 и добавочными полюсами, вращающийся
якорь 3 с обмоткой возбуждения 5 и
коллектором 1 и щеточный аппарат 2. В
машинах малой и средней мощностей
станина одновременно служит и корпусом,
к которому крепятся лапы 11 для установки
машины, и частью магнитопровода.
По ней
замыкается магнитный поток. В большинстве
машин станина выполнена массивной, из
стальных труб, либо сварной из листов
конструкционной стали. В ряде машин
станину выполняют шихтованной.
К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения; их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации. Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями.
На валу 10 двигателя расположен
якорь двигателя.
Сердечник якоря
представляет собой цилиндрический
магнитопровод 6, в пазах которого
расположена обмотка якоря 7.
Якорь машины постоянного тока в настоящее время выполняется, как правило, барабанного типа. Он состоит из: сердечника якоря 4, набираемого из листовой электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируются друг от друга лаковой или оксидной пленкой. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которые укладывается обмотка якоря 5. Обмотка выполняется из специальных медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Элементы обмотки тщательно изолируются между собой и от сердечника и закрепляются в пазах при помощи клиньев или бандажей из стальной проволоки. Части обмотки, выступающие с торцов сердечника (лобовые соединения) крепятся бандажами.
Секции обмотки якоря присоединены к
коллектору 1. К нему же прижимаются
пружинами неподвижные щетки 2.
Закрепленный
на валу двигателя коллектор состоит из
ряда изолированных от него и друг от
друга медных пластин. С помощью коллектора,
и щеток осуществляется соединение
обмотки якоря с внешней электрической
цепью. У двигателей они, кроме того,
служат для преобразования постоянного
по направлению тока внешней цепи в
изменяющийся по направлению ток в
проводниках обмотки якоря.
Обмотки
якорей двухслойные. В машинах мощностью
до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого
провода и уложены в полузакрытые пазы.
В пазовых частях обмотка крепится
пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами
из стеклоленты или немагнитной стальной
проволоки, которые прижимают их к
обмоткодержателям. В машинах большой
мощности катушки обмотки якоря наматывают
из прямоугольного провода и укладывают
в открытые пазы. Крепление обмотки либо
такое же, как и в машинах малой мощности,
т. е. клиньями в пазовой и бандажами в
лобовой части, либо бандажами и в пазовой,
и в лобовой части. Обмотка якоря
присоединяется к коллектору, закрепленному
на валу машины.
Обычно коллектор
выполняется цилиндрического типа, реже
торцевого. Продольный разрез
цилиндрического коллектора приведен
на рис. 5.2.
Рис. 5.2
1 — передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус
Коллектор состоит из коллекторных пластин (ламелей) 2, изолированных друг от друга и от элементов крепления миканитовыми прокладками и манжетами 4. С торцов пластины стягиваются нажимными конусами (фланцами) 5. Благодаря специальному выступу (ласточкину хвосту) пластины сжимаются между собой, образуя жесткую конструкцию. Затем коллектор обтачивается, чтобы его рабочая поверхность была строго цилиндрической.
Для
соединения обмотки якоря с внешней
цепью служит щеточный аппарат. Обычно
он состоит из щеточной траверсы с
пальцами и щеткодержателей со щетками.
Щеткодержатель состоит из обоймы, в
которой располагается щетка, и нажимной
пружины, прижимающей щетку к коллектору.
Все одноименные щетки соединяются между
собой сборными шинами, которые выводятся
на зажимы машины, как концы обмотки
якоря. Обмотка якоря впаивается
непосредственно в выступающие части
коллекторных пластин или при помощи
специальных соединительных проводников
(петушков), если разница в диаметрах
коллектора и якоря велика.
Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.
Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.
На корпусе также расположены табличка с паспортными данными и клеммная коробка.
Клеммы
на щитке коробки маркируются: начало и
конец обмотки якоря А1 и А2;
параллельной обмотки возбуждения – Е1 и Е2 , обмотки дополнительных полюсов – В1 и В2 .
Машины постоянного тока | мтомд.инфо
Машина постоянного тока представляет собой электрическую машину с механическим преобразователем частоты в цепи якоря и поэтому имеет обращенное исполнение.
Устройство и назначение машин постоянного тока
Обмотка возбуждения 3 располагается на статоре, а обмотка якоря 5 — на роторе. Преобразователь частоты выполняется в виде коллектора 7, пластины которого электрически связаны с обмоткой якоря. Система неподвижных щеток 6 обеспечивает связь вращающейся обмотки якоря с внешней сетью.
Схема машины постоянного тока
Статор обычно выполняется в виде массивной станины 1, на которой укрепляются полюсы 2 с обмоткой возбуждения. Сердечники полюсов собираются из листов конструкционной стали толщиной 1-2 мм.
Магнитопровод якоря 4 набирается из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм.
В пазы магнитопровода укладываются изолированные секции двухслойной обмотки якоря. Выводы секции припаиваются к коллекторным пластинам, закрепленным на валу машины постоянного тока. Число коллекторных пластин равно числу секций. Коллекторные пластины изготавливаются из меди и изолируются друг от друга и от вала с помощью миканитовых прокладок. На внешней поверхности коллектора устанавливаются угольные щетки, закрепленные в щеткодержателях неподвижно относительно статора. Число щеток равно числу полюсов.
Положение щеток относительно полюсов может меняться, но, как правило, щетки устанавливаются на геометрической нейтрали — линии, перпендикулярной оси магнитного поля полюса. В этом случае процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока аналогичны процессам преобразования в синхронных машинах при чисто активной нагрузке. Машины постоянного тока применяются как в качестве электродвигателей, так и в качестве генераторов.
Области применения машин постоянного тока
Двигатели постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, обладают хорошими регулировочными свойствами и могут иметь механические характеристики n = f(Mвн), удовлетворяющие требованиям большинства рабочих механизмов.
Поэтому двигатели постоянного тока широко используются на транспорте (магистральные электровозы, тепловозы, пригородные электропоезда, метрополитен, трамваи, троллейбусы), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках. В подавляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других летательных аппаратов двигатели постоянного тока приводят во вращение все вспомогательное оборудование.
Постоянный ток для питания двигателей получают либо с помощью полупроводниковых выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный, либо с помощью генераторов постоянного тока. Генераторы постоянного тока используют также в технологических процессах для питания электролизных и гальванических установок. Широкое распространение получили генераторы постоянного тока специального назначения (сварочные генераторы, генераторы для освещения поездов, электромашинные усилители постоянного тока, возбудители синхронных машин).
Недостатком машин постоянного тока является их относительно высокая стоимость, а также наличие скользящего контакта между щетками и коллектором.
В последние годы в связи с развитием полупроводниковой техники ведутся работы по замене механического коллектора полупроводниковым преобразователем. Однако, несмотря на большие усилия, направленные на создание полупроводниковых преобразователей частоты, электроприводы с такими преобразователями оказываются в 1,5 — 2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями постоянного тока. Поэтому выпуск машин постоянного тока не сокращается, и они находят все новые области применения.
Что такое машина постоянного тока? Базовая конструкция и эквивалентная схема
A DC Machine — это электромеханическое устройство преобразования энергии . Есть два типа машин постоянного тока; один — это генератор постоянного тока , а другой известен как двигатель постоянного тока .
Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию (ωT) в электрическую энергию постоянного тока (EI), тогда как двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую.
Электродвигатель переменного тока неизменно применяется в промышленности для преобразования электроэнергии в механическую, но там, где требуется широкий диапазон скоростей и хорошее регулирование скорости, например, в системе электрической тяги, используется электродвигатель постоянного тока.
Конструкция двигателя постоянного тока и генератора почти одинакова. Генератор используется очень защищенным способом. Отсюда и есть открытый тип конструкции. Но двигатель используется в месте, где они подвергаются воздействию пыли и влаги, и, следовательно, для него требуются кожухи, например, грязеотталкивающие, огнестойкие и т.
Хотя аккумулятор является важным источником электроэнергии постоянного тока, он может подавать только ограниченную мощность на любые машины. Есть некоторые области применения, где требуется большое количество энергии постоянного тока, например гальваника, электролиз и т. Д.Следовательно, в таких местах для подачи энергии используются генераторы постоянного тока.
Базовая конструкция электрических машин
Вращающаяся электрическая машина или машина постоянного тока состоит в основном из двух частей; один — Stator , а другой — Rotar . Статор и ротор отделены друг от друга воздушным зазором. Статор является внешней рамой машины и неподвижен. Ротор свободно перемещается и является внутренней частью машины.
Статор и ротор изготовлены из ферромагнитных материалов.Прорези прорезаны на внутренней периферии статора и внешней периферии ротора. Проводники помещаются в пазы статора или ротора. Они соединены между собой и образуют обмотки.
Обмотки, в которых индуцируется напряжение, называются обмотками якоря . Обмотка, через которую пропускается ток для создания основного потока, называется Обмотка возбуждения . Для обеспечения основного потока в некоторых машинах также используются постоянные магниты.
Эквивалентная схема якоря машины постоянного тока Якорь генератора постоянного тока может быть представлен эквивалентной электрической схемой.
Он может быть представлен тремя последовательно соединенными элементами E, Ra и Vb.
Эквивалентная схема якоря генератора постоянного тока показана ниже на рисунке:
Эквивалентная схема якоря двигателя постоянного тока показана ниже на рисунке:
Элемент E на схемах эквивалентных схем представляет собой генерируемое напряжение, Ra — сопротивление якоря, а Vb — падение напряжения на контакте щетки.
Детали двигателя постоянного тока, конструкция, конструкция и преимущества
В этой статье, после очень краткого описания двигателей постоянного тока, вы узнаете об их различных типах конструкции, а затем об их частях, компонентах и конструкциях.Затем мы переходим к объяснению использования и применения двигателя постоянного тока в различных масштабах. Последнее, что мы обсудим, это их преимущества и недостатки, чтобы помочь вам сделать лучший выбор. Итак, давайте узнаем о конструкции двигателя постоянного тока и его частей с помощью Linquip.
Но сначала о Мотор :
Что такое двигатель постоянного тока?
Двигатели постоянного тока— это устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую! Это вращающееся электрическое устройство бывает разных типов, все они содержат либо внутренний электронный механизм, либо внутренний электромеханический механизм, отвечающий за изменение направления тока в двигателе.
Различные типы двигателей постоянного тока
Некоторые из наиболее популярных конструкций для двигателей постоянного тока — это постоянный магнит, бесщеточный, шунтирующий, последовательный и составной намотанный или стабилизированный шунт. Детали двигателя постоянного тока обычно одинаковы в этих различных конструкциях, и общая работа аналогична. Принцип его работы заключается в том, что проводник, по которому проходит ток, имплантируется в магнитное поле, а мощность, передаваемая через проводники, позволяет вращать двигатель. Генерация электромагнитных полей и их место, будь то в роторе или статоре, является причиной, по которой эти конструкции отличаются друг от друга.Поскольку знакомство с различными типами двигателей постоянного тока и их понимание поможет вам понять, как они используются в различных приложениях и какой из них больше подходит для вашего приложения, ниже мы подробно рассмотрим функции некоторых из этих типов.
- Двигатели с постоянным магнитом
Двигатели с постоянным магнитом (также известные как двигатель с постоянным магнитным полем) используют постоянный магнит для создания магнитного поля. Этот тип двигателей постоянного тока создает отличный пусковой момент с хорошей регулировкой скорости.Имея ограниченный крутящий момент, тип постоянного магнита обычно используется в приложениях с низкой мощностью. - Шунтирующие двигатели
поле шунтирующего типа подключено параллельно обмоткам якоря. Поскольку шунтирующее поле может возбуждаться отдельно от обмоток якоря, этот тип двигателей обеспечивает прекрасное регулирование скорости. Кроме того, параллельные двигатели также предлагают упрощенное управление реверсированием. Двигатели серии -
Двигатели постоянного тока серии состоят из полевой обмотки с несколькими витками провода, по которому проходит ток якоря.Как и постоянные двигатели, серийные двигатели создают большой пусковой момент. По сравнению с постоянными двигателями, серийный тип не может регулировать скорость. Кроме того, если серийные двигатели работают без нагрузки, они могут выйти из строя. Эти ограничения делают серийные двигатели непригодными для применения в приводах с регулируемой скоростью. - Составные двигатели
Как и параллельные двигатели постоянного тока, составные двигатели обладают шунтирующим полем, которое возбуждается отдельно. Так же, как постоянные и серийные двигатели, составные двигатели обладают хорошим пусковым моментом с некоторыми проблемами в регулировании скорости в приводах с регулируемой скоростью.
Эти четыре основных типа двигателей постоянного тока имеют множество потенциальных применений. Каждый тип этих двигателей имеет свои сильные и слабые стороны. Как упоминалось в начале этого раздела, знакомство с различными типами может помочь вам выяснить, какой тип больше подходит для ваших приложений.
Что такое детали двигателя постоянного тока и как они работают?
Двигатель постоянного тока состоит из разных частей, понимание каждой из которых может помочь понять, как эти части взаимодействуют друг с другом и, в конце концов, как работают DC.Этими компонентами являются: статор, ротор, ярмо, полюса, обмотки якоря, обмотки возбуждения, коммутатор и щетки. Многие его части такие же, как и у электродвигателя переменного тока, но с небольшими изменениями.
Статор
Статор — это одна из частей двигателя постоянного тока, которая, как следует из названия, представляет собой статический блок, содержащий обмотки возбуждения. Статор — это часть двигателя постоянного тока, на которую подается питание.
Ротор
Динамическая часть двигателя постоянного тока — это ротор, который создает механическое вращение агрегата.
Хомут
Еще одна единица частей двигателя постоянного тока — ярмо. Ярмо — это магнитная рамка из чугуна, а иногда и из стали, которая работает как предохранитель. Эта защитная крышка сохраняет внутренние части двигателя в целости и сохранности, а также поддерживает якорь. Ярмо также содержит магнитные полюса и обмотки возбуждения двигателя постоянного тока, помогающие поддерживать систему возбуждения.
Поляки
Электродвигатель постоянного токаимеет магнитные полюса, которые вставляются во внутреннюю стенку ярма с помощью винтов для их закрепления.Поляки состоят из двух частей: полюсного ядра и полюсной обуви. Эти две части скреплены гидравлическим давлением и прикреплены к вилке. У каждой части поляков есть конкретная задача, основанная на ее конструкции. Сердечник удерживает полюсный башмак над ярмом, в то время как полюсный башмак сконструирован так, чтобы нести прорези для обмотки возбуждения и распределять поток, создаваемый обмотками возбуждения, в воздушный зазор между ротором и статором. Это помогает уменьшить потери, вызванные сопротивлением.
Обмотки возбуждения
Изготовленные из медной проволоки (катушки возбуждения), полевые обмотки вращаются вокруг пазов полюсных башмаков.Обмотки возбуждения образуют электромагнит, способный создавать магнитный поток. Якорь ротора вращается внутри магнитного поля, что приводит к эффективному сокращению магнитного потока.
Подробнее о Linquip
Части генератора постоянного тока: объяснение частей, работы, типов, преимуществ и недостатковОбмотки якоря
Еще одна деталь двигателя постоянного тока — обмотка якоря. Обмотка якоря двигателя постоянного тока имеет две конструкции: круговая обмотка и волновая обмотка. Их разница в количестве параллельных путей.Обмотка якоря прикреплена к ротору и изменяет магнитное поле на пути его вращения. Результатом этой процедуры являются магнитные потери. Разработчики стараются уменьшить магнитные потери, сделав сердечник якоря слоистым слоем кремнистой стали с низким гистерезисом. Затем листы из многослойной стали складываются вместе, образуя цилиндрическую структуру сердечника якоря. Внутри сердечника якоря имеются прорези из того же материала.
Коммутатор двигателя постоянного тока
Коммутатор представляет собой разрезное кольцо, состоящее из медных сегментов, коммутатор — еще одна часть двигателя постоянного тока.Операционная система постоянного тока основана на взаимодействии двух магнитных полей вращающегося якоря и неподвижного статора. Поскольку северный полюс якоря притягивается к южному полюсу статора, а южный полюс якоря притягивается к северному полюсу статора, на якорь создается сила, которая заставляет его вращаться. Процесс, при котором поле в обмотках якоря переключается для создания постоянного крутящего момента в одном направлении, называется коммутацией. Коммутатор — это устройство, подключенное к якорю, позволяющее переключать ток.Различные сегменты его цилиндрической конструкции изолированы друг от друга слюдой. Коммутатор предназначен для коммутации питающего тока обмотки якоря от сети. Коммутатор проходит через щетки двигателя постоянного тока.
Основная цель коммутации — удостовериться, что крутящий момент, действующий на якорь, всегда в одном и том же направлении. Естественно, что генерируемое в якоре напряжение переменное, коммутатор преобразует его в постоянный ток. Чтобы контролировать направление электромагнитных полей, коммутатор включает и выключает катушки.С одной стороны катушки электричество всегда должно уходить, а с другой стороны, электричество всегда должно течь навстречу. Это гарантирует, что крутящий момент всегда создается в одном и том же направлении.
Кисти
Последний пункт в списке деталей двигателя постоянного тока — это щетки, изготовленные из углеродных или графитовых структур. Щетки с коммутатором работают как мост для подключения статической электрической цепи к ротору. Щетки контактируют с коммутатором и передают вырабатываемый ток на коммутатор от внешней цепи.Затем ток проходит в обмотку якоря.
Применение двигателей постоянного тока
В связи с тем, что существует 4 основных типа двигателей постоянного тока, для двигателей постоянного тока определен широкий спектр различных применений. В предыдущих разделах были рассмотрены некоторые из различных частей и типов контроллеров домена. В этом разделе мы собираемся представить различные приложения и обстоятельства, в которых используются двигатели постоянного тока.
Как правило, из-за определенных преимуществ каждого типа двигателей постоянного тока их можно использовать по-разному.В домашних условиях мелкие используются в инструментах, игрушках и многих бытовых приборах. Некоторые другие применения DC включают конвейеры и поворотные столы, а в промышленности огромные области применения DC состоят из приложений торможения и реверсирования. Мы постарались привести несколько конкретных примеров в качестве приложений DC:
Насосы
Гидравлические насосы как важный промышленный инструмент используются почти во всех отраслях промышленности, таких как строительство, горнодобывающая промышленность, производство и металлургия. Двигатели постоянного тока из-за их регулирования скорости, а также отличного пускового момента используются для усиления этих типов насосов.В большинстве случаев в насосах используются более дешевые бесщеточные преобразователи постоянного тока, которые значительно упрощают обслуживание в таких крупных промышленных масштабах.
Игрушки
Благодаря тому, что небольшие двигатели постоянного тока просты в использовании и обладают значительной прочностью, они являются лучшим выбором производителей и любителей для детских игрушек, таких как автомобили и поезда с дистанционным управлением. Игрушки, требующие различного диапазона скорости и типов движений, нуждаются в двигателе с большим разнообразием напряжений. Производители находят все эти спецификации в контроллерах домена.
Электромобили
Еще одно применение DC — электромобили. Двигатели постоянного тока из-за их энергоэффективности и долговечности являются одним из самых любимых вариантов электромобилей. Более того, многие любители используют DC из-за их большого и более высокого пускового момента, особенно двигателей с последовательной обмоткой, и их переменной скорости с входным напряжением.
Роботы
Для многих любителей и инженеров роботы — это любые электромеханические устройства, предназначенные для выполнения одной или нескольких конкретных задач.Двигатели постоянного тока — один из наиболее доступных и разумных вариантов с меньшими затратами для активации таких вещей, как гусеницы, манипулятор или камеры. Такие особенности, как высокий крутящий момент и долговечность, а также эффективность, делают DC идеально подходящими для робототехники.
Двигатель постоянного тока Преимущества и недостатки
Из деталей двигателя постоянного тока разного размера будут созданы разные двигатели постоянного тока, подходящие для различных нужд. Как упоминалось ранее, маленькие можно использовать в игрушках, инструментах и бытовой технике, а более крупные — в лифтах, подъемниках и двигателях электромобилей.Хотя двигатели переменного тока снизили продажи двигателей постоянного тока из-за простой генерации и передачи с меньшими потерями на большие расстояния, необходимости меньшего технического обслуживания и возможности эксплуатации во взрывоопасных средах, двигатели постоянного тока по-прежнему используются там, где переменный ток не может удовлетворить потребности. У двигателей постоянного тока есть свои уникальные особенности и важность в отраслях, которые компенсируют множество других преимуществ перед двигателями переменного тока.
Двигатели постоянного токаподходят для низкоскоростного крутящего момента или при необходимости регулируемой скорости и постоянной.Другими словами, с двигателями постоянного тока можно регулировать скорость в широком диапазоне, что означает, что они предлагают широкий диапазон регулирования скорости как ниже, так и выше номинальной. Эта особенность двигателей постоянного тока может быть реализована в шунтирующих типах. Благодаря управлению якорем и полевым управлением вы можете воспользоваться этим уникальным преимуществом двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока. Более того, DC имеют очень высокий и сильный пусковой крутящий момент по сравнению с нормальным рабочим крутящим моментом. Поэтому DC используются в электропоездах и кранах, которые в начальных условиях создают огромную нагрузку.В дополнение к вышеупомянутым преимуществам двигатели постоянного тока имеют преобразователи и приводы меньшего размера, а также более высокую удельную мощность двигателя. Не говоря уже о том, что у них полный крутящий момент при нулевой скорости!
Находясь на рынке более 140 лет, двигатели постоянного тока часто более доступны по цене, чем двигатели переменного тока, и имеют более простую и эффективную конструкцию. Кроме того, их обслуживание простое и не требует времени. Если вы перепроектируете свою текущую установку для использования двигателя переменного тока, это будет стоить намного дороже, чем простая замена двигателя постоянного тока внутри установки.Таким образом, вы не только ремонтируете свою систему, устанавливая внутри новый блок, но и экономите много денег. Излишне говорить, что такая небольшая замена также экономит время и происходит быстро, не теряя вашего времени. Вам нужно больше преимуществ, чтобы полюбить детали и конструкцию двигателя постоянного тока?
Теперь, когда вы здесь, вы знаете детали и функции двигателя постоянного тока на основе информации, которую Linquip предоставила вам в этой статье. Поделитесь с нами своими комментариями в разделе комментариев и поделитесь своими мыслями и вопросами при чтении этой статьи.Вам нужно быстро найти ответ на свои вопросы и устранить неполадки в части двигателя постоянного тока? Зарегистрируйтесь на нашем сайте, и эксперт будет рядом с вами.
Электродвигатель — Энциклопедия Нового Света
Вращающееся магнитное поле как сумма магнитных векторов трех фазных катушекЭлектродвигатель преобразует электрическую энергию в кинетическую энергию. Обратную задачу — преобразование кинетической энергии в электрическую — выполняет генератор или динамо-машина. Во многих случаях два устройства различаются только своим применением и незначительными деталями конструкции, а в некоторых приложениях используется одно устройство для выполнения обеих ролей.Например, тяговые двигатели, используемые на локомотивах, часто выполняют обе задачи, если локомотив оснащен 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 токоведущий провод, находящийся внутри магнитного поля, действует механическая сила. Сила описывается законом силы Лоренца и перпендикулярна как проводу, так и магнитному полю.
Большинство магнитных двигателей являются вращающимися, но существуют и линейные двигатели. В роторном двигателе вращающаяся часть (обычно внутри) называется ротором, а неподвижная часть — статором. Ротор вращается, потому что провода и магнитное поле расположены так, что вокруг оси ротора создается крутящий момент. Двигатель содержит электромагниты, намотанные на раму. Хотя эту раму часто называют арматурой, этот термин часто используют ошибочно. Правильно, якорь — это та часть двигателя, на которую подается входное напряжение.В зависимости от конструкции машины в качестве якоря может выступать либо ротор, либо статор.
Двигатели постоянного (постоянного тока)
Электродвигатели различных размеров. Ротор от небольшого двигателя постоянного тока 3 В. Этот двигатель имеет 3 катушки, и 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 бассейн с ртутью. Постоянный магнит был помещен в середину ртутной ванны.Когда через провод пропускался ток, он вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождал круговое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, но иногда вместо токсичной ртути используется рассол (соленая вода). Это простейшая форма класса электродвигателей, называемых униполярными двигателями. Более поздняя доработка — Колесо Барлоу.
В другой ранней конструкции электродвигателя использовался поршень возвратно-поступательного действия внутри переключаемого соленоида; концептуально его можно рассматривать как электромагнитную версию двухтактного двигателя внутреннего сгорания.Томас Давенпорт построил небольшой электродвигатель постоянного тока в 1834 году, используя его для управления игрушечным поездом по круговой дороге. 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 промышленно полезным электродвигателем; более ранние изобретения использовались в качестве игрушек или лабораторных диковинок.
Классический двигатель постоянного тока имеет вращающийся якорь в виде электромагнита.Поворотный переключатель, называемый коммутатором, меняет направление электрического тока дважды за цикл, чтобы он протекал через якорь, так что полюса электромагнита толкаются и притягиваются к постоянным магнитам на внешней стороне двигателя. Когда полюса электромагнита якоря проходят через полюса постоянных магнитов, коммутатор меняет полярность электромагнита якоря. В этот момент переключения полярности импульс поддерживает классический двигатель в нужном направлении.(См. Схемы ниже.)
- Вращение двигателя постоянного тока
Простой электродвигатель постоянного тока. Когда катушка запитана, вокруг якоря создается магнитное поле. Левая сторона якоря отодвигается от левого магнита и тянется вправо, вызывая вращение.
Якорь продолжает вращаться.
Когда якорь становится выровненным по горизонтали, коммутатор меняет направление тока через катушку, меняя местами магнитное поле.Затем процесс повторяется.
Электродвигатель постоянного тока с обмоткой возбуждения
Постоянные магниты на внешней стороне (статоре) электродвигателя постоянного тока можно заменить электромагнитами. Изменяя ток возбуждения, можно изменять соотношение скорость / крутящий момент двигателя. Обычно обмотка возбуждения размещается последовательно (последовательная обмотка), с обмоткой якоря для получения низкоскоростного двигателя с высоким крутящим моментом, параллельно (параллельная обмотка) с якорем, чтобы получить высокоскоростной двигатель с низким крутящим моментом, или имеют обмотку частично параллельно, а частично последовательно (составная обмотка) для баланса, который обеспечивает стабильную скорость в диапазоне нагрузок. Раздельное возбуждение. также является обычным, с фиксированным напряжением поля, скорость регулируется изменением напряжения якоря. Дальнейшее уменьшение 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 под действием внешней силы, двигатель будет действовать как генератор и производить электродвижущую силу (ЭДС). Это напряжение также генерируется при нормальной работе двигателя.Вращение двигателя создает напряжение, известное как противо-ЭДС (CEMF) или противо-ЭДС, поскольку оно противодействует приложенному напряжению на двигателе. Следовательно, падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения из-за этой CEMF и паразитного падения напряжения, возникающего из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря.
Поскольку CEMF пропорциональна скорости двигателя, при первом запуске или полном останове электродвигателя CEMF отсутствует. Следовательно, ток через якорь намного выше.Этот высокий ток создаст сильное магнитное поле, которое запустит двигатель. По мере вращения двигателя CEMF увеличивается до тех пор, пока не станет равным приложенному напряжению, за вычетом паразитного падения напряжения. В этот момент через двигатель будет протекать меньший ток.
Управление скоростью
Обычно скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна приложенному к нему напряжению, а крутящий момент пропорционален току. Регулировка скорости может быть достигнута с помощью регулируемых выводов аккумуляторной батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления.Направление двигателя постоянного тока с обмоткой возбуждения можно изменить, поменяв местами подключения возбуждения или якоря, но не то и другое вместе. Обычно это делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления).
Эффективное напряжение можно изменять, вставляя последовательный резистор или переключающее устройство с электронным управлением, состоящее из тиристоров, транзисторов или, ранее, ртутных дуговых выпрямителей. В цепи, известной как прерыватель, среднее напряжение, приложенное к двигателю, изменяется путем очень быстрого переключения напряжения питания.Поскольку отношение «включено» к «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя изменяется. Процент времени включения, умноженный на напряжение питания, дает среднее напряжение, приложенное к двигателю.
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 разрушит себя. Это также может быть проблемой для железнодорожных двигателей в случае потери сцепления, поскольку, если быстро не взять под контроль двигатели, они могут развивать скорость намного выше, чем при нормальных обстоятельствах. Это может вызвать проблемы не только для самих двигателей и шестерен, но и из-за разницы в скорости между рельсами и колесами, это также может вызвать серьезные повреждения рельсов и ступеней колес, поскольку они быстро нагреваются и охлаждаются.Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор ослабления поля, электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя уменьшается ниже заданного значения (это будет, 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 управление Уорда-Леонарда. Это метод управления двигателем постоянного тока (обычно с шунтирующей или составной обмоткой) и 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 из 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 исключительно хорошее управление скоростью от состояния покоя до полной скорости и постоянный крутящий момент. Этим методом управления был метод de facto от его разработки до тех пор, пока он не был заменен твердотельными тиристорными системами. Он находил применение практически в любой среде, где требовалось хорошее управление скоростью, от пассажирских лифтов до обмотки головок больших шахтных карьеров и даже промышленного технологического оборудования 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 случаях установка мотор-генератор часто оставалась постоянно работающей, чтобы избежать задержек, которые в противном случае были бы вызваны ее запуском по мере необходимости. Есть множество устаревших установок Ward-Leonard, которые все еще используются.
Универсальные двигатели
Вариантом обмотки Двигатель постоянного тока является универсальный двигатель . Название происходит от того факта, что он может использовать 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 обмоткой поля ток как в поле, так и в якоре (и, следовательно, результирующие магнитные поля) будут чередоваться (обратная полярность) в одно и то же время, и, следовательно, генерируемая 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 получаемый в результате двигатель обычно менее эффективен, чем эквивалентный чистый двигатель DC .При работе на нормальных частотах линии электропередачи максимальная мощность универсальных двигателей ограничена, а двигатели мощностью более одного киловатта встречаются редко. Но универсальные двигатели также составляют основу традиционного железнодорожного тягового двигателя. В этом приложении для поддержания высокого электрического КПД они работали от очень низкочастотных источников переменного тока с частотой 25 Гц и 16 2 / 3 Гц. Поскольку это универсальные двигатели, локомотивы, использующие эту конструкцию, также обычно могли работать от третьего рельса с питанием от постоянного тока.
Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться на двигателях, которые имеют типичные характеристики двигателей постоянного тока, в частности, высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию, если используются высокие скорости вращения. Отрицательный аспект — 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 управление скоростью универсального двигателя, работающего от переменного тока, очень легко достигается с помощью тиристорной схемы, в то время как ступенчатое регулирование скорости может осуществляться с помощью нескольких отводов на катушке возбуждения.Бытовые блендеры, рекламирующие множество скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод, который можно вставить последовательно с двигателем (в результате чего двигатель работает на полуволновом постоянном токе с 0,707 среднеквадратичного напряжения линии питания переменного тока).
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. Моторы многих пылесосов и триммеров для сорняков превышают 10 000 об / мин, Dremel и другие подобные миниатюрные измельчители часто превышают 30 000 об / мин.Теоретический универсальный двигатель, которому разрешено работать без механической нагрузки, будет превышать скорость, что может привести к его повреждению. В реальной жизни, однако, различное трение подшипников, «парусность» якоря и нагрузка любого встроенного охлаждающего вентилятора — все это предотвращает превышение скорости.
Из-за очень низкой стоимости полупроводниковых выпрямителей в некоторых приложениях, где раньше использовался универсальный двигатель, теперь используется чистый двигатель постоянного тока, обычно с полем постоянного магнита. Это особенно верно, если полупроводниковая схема также используется для регулирования скорости.
Преимущества универсального двигателя и распределения переменного тока сделали установку низкочастотной системы распределения тягового тока экономичной для некоторых железнодорожных установок. На достаточно низких частотах характеристики двигателя примерно такие же, как если бы двигатель работал от постоянного тока.
Двигатели переменного тока
В 1882 году Никола Тесла определил принцип вращающегося магнитного поля и впервые применил вращающееся силовое поле для работы машин.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 докладе Королевской академии наук в Турине.
Введение двигателя Теслы с 1888 г. и далее положило начало так называемой Второй промышленной революции, сделав возможным эффективное производство и распределение электроэнергии на большие расстояния с использованием системы передачи переменного тока, также изобретенной Тесла (1888 г.).До изобретения вращающегося магнитного поля двигатели работали, непрерывно пропуская проводник через постоянное магнитное поле (как в униполярных двигателях).
Тесла предположил, что коммутаторы из машины могут быть удалены, и устройство может работать во вращающемся силовом поле. Его учитель профессор Пошель заявил, что это было бы похоже на создание вечного двигателя. [1] Tesla позже получит патент США 0416194 (PDF), Electric Motor (декабрь 1889 г.), который напоминает двигатель, изображенный на многих фотографиях Tesla.Этим классическим электромагнитным двигателем переменного тока был асинхронный двигатель .
| Энергия статора | Энергия ротора | Общая потребляемая энергия | Развиваемая мощность |
|---|---|---|---|
| 10 | 90 | 100 | 900 |
| 50 100288 | 9028 9028 9028 9028 9028 |
В асинхронном двигателе , поле и якорь в идеале имели одинаковую напряженность поля, а сердечники поля и якоря были одинакового размера.Полная энергия, потребляемая для работы устройства, равнялась сумме энергии, затраченной на якорь и катушку возбуждения. [2] Мощность, развиваемая при работе устройства, равна произведению энергии, затраченной в катушках якоря и возбуждения. [3]
Михаил Осипович Доливо-Добровольский позже изобрел трехфазный «клеть-ротор» в 1890 году. Успешная коммерческая многофазная система генерации и передачи на большие расстояния была спроектирована Альмерианом Декером в Mill Creek No.1 [4] в Редлендс, Калифорния. [5]
Компоненты и типы
Типичный двигатель переменного тока состоит из двух частей:
- Внешний неподвижный статор с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и;
- Внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, на который создается крутящий момент вращающимся полем.
В зависимости от типа используемого ротора существует два основных типа электродвигателей переменного тока:
- Синхронный электродвигатель, который вращается точно с частотой питания или кратной частотой питания, 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 головки считывающего устройства привода CD / DVDЕсли имеется 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.
Благодаря электромагнитной индукции вращающееся магнитное поле индуцирует ток в проводниках в роторе, который, в свою очередь, создает уравновешивающее магнитное поле, которое заставляет 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 уравновешивающее поле.
Асинхронные двигатели являются рабочими лошадками промышленности, и двигатели мощностью до 500 кВт (670 лошадиных сил) производятся в строго стандартизированных размерах корпуса, что делает их практически полностью взаимозаменяемыми между производителями (хотя стандартные размеры в Европе и Северной Америке различаются). Очень большие синхронные двигатели могут иметь выходную мощность в десятки тысяч кВт для трубопроводных компрессоров, приводов в аэродинамической трубе и наземных преобразовательных систем.
В асинхронных двигателях используются два типа роторов.
Роторы с короткозамкнутым ротором: В большинстве двигателей переменного тока используется ротор с короткозамкнутым ротором, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка получила свое название от своей формы — кольца на обоих концах ротора, с перемычками, соединяющими кольца по всей длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитые между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца.Подавляющее большинство токов ротора будет проходить через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для шин и концевых колец; В двигателях с высоким КПД часто используется литая медь для уменьшения сопротивления 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.Двигатель с короткозамкнутым ротором без нагрузки при синхронной скорости будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора с учетом потерь на трение и сопротивление; по мере увеличения механической нагрузки будет увеличиваться и электрическая нагрузка — электрическая нагрузка по своей природе связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.
Вот почему, например, электродвигатель воздуходувки с короткозамкнутым ротором может приводить к затемнению света в доме при запуске, но не приглушает свет, когда его вентиляторный ремень (и, следовательно, механическая нагрузка) снимается.Кроме того, остановившийся двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки.
Практически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, отдельный вентилятор, проигрыватель и т. Д. Использует какой-либо вариант двигателя с короткозамкнутым ротором.
Ротор с обмоткой: Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется регулировка скорости.В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, что и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки подключают контактные кольца к внешнему контроллеру, например, к переменному резистору, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с регулируемой скоростью вращения ротора 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 силовых электронных устройств.Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь можно использовать для управления скоростью, а двигатели с фазным ротором становятся все реже. (Транзисторные инверторные приводы также позволяют использовать более эффективные трехфазные двигатели, когда доступен только однофазный сетевой ток, но это никогда не используется в бытовых приборах, потому что это может вызвать электрические помехи и из-за высоких требований к мощности.)
Используются несколько способов запуска многофазного двигателя. Там, где допустимы большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить через линию, подав полное линейное напряжение на клеммы (Direct-on-line, DOL).Если необходимо ограничить пусковой пусковой ток (если мощность двигателя больше, чем у источника питания при коротком замыкании), используется пуск с пониженным напряжением с использованием последовательных катушек индуктивности, автотрансформатора, тиристоров или других устройств. Иногда используется метод пуска со звезды на треугольник, когда катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на треугольник, когда нагрузка достигает 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 приложениях, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель.
Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет наличия дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что частота источника питания теперь также может быть изменена, чтобы обеспечить более плавное управление скоростью двигателя.
Трехфазные синхронные двигатели переменного тока
Если соединения с обмотками ротора трехфазного двигателя сняты на контактных кольцах и подают отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнит), результат называется синхронным двигателем, потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания.
Синхронный двигатель также может использоваться как генератор переменного тока.
В настоящее время синхронные двигатели часто приводятся в действие транзисторными частотно-регулируемыми приводами.Это значительно облегчает запуск массивного ротора большого синхронного двигателя. Они также могут запускаться как асинхронные двигатели с использованием обмотки с короткозамкнутым ротором, которая имеет общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, ток в обмотке с короткозамкнутым ротором не индуцируется, 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
Типичный двухфазный серводвигатель переменного тока имеет короткозамкнутый ротор и поле, состоящее из двух обмоток: 1) главной обмотки постоянного напряжения (переменного тока) и 2) управляющей обмотка напряжения (переменного тока) находится в квадратуре с основной обмоткой, чтобы создать вращающееся магнитное поле.Электрическое сопротивление ротора намеренно повышено, чтобы кривая скорость-крутящий момент была достаточно линейной. Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, которые в значительной степени приспособлены 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 должно создаваться другими способами. Обычно используются несколько методов.
Обычным однофазным электродвигателем является электродвигатель с расщепленными полюсами, который используется в устройствах, требующих низкого крутящего момента, таких как электрические вентиляторы или другие небольшие бытовые приборы.В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или лентой; индуцированный ток в перемычке противодействует изменению потока через катушку (закон Ленца), так что максимальная напряженность поля перемещается через поверхность полюса в каждом цикле, создавая необходимое вращающееся магнитное поле.
Другой распространенный однофазный электродвигатель переменного тока — это асинхронный электродвигатель с расщепленной фазой , обычно используемый в основных бытовых приборах, таких как стиральные машины и сушилки для одежды.По сравнению с двигателями с экранированными полюсами эти двигатели обычно могут обеспечивать гораздо больший пусковой крутящий момент за счет использования специальной пусковой обмотки в сочетании с центробежным переключателем.
В электродвигателях с расщепленной фазой пусковая обмотка спроектирована с более высоким сопротивлением, чем рабочая обмотка. Это создает цепь LR, которая немного сдвигает фазу тока в пусковой обмотке. Когда двигатель запускается, 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 сдвинута по сравнению с фазой сетевого питания, что позволяет создать движущееся магнитное поле, которое запускает двигатель. Когда двигатель достигает скорости, близкой к расчетной, срабатывает центробежный выключатель, размыкая контакты и отсоединяя пусковую обмотку от источника питания. В этом случае двигатель работает только на ходовой обмотке. Пусковую обмотку необходимо отключить, так как это приведет к увеличению потерь в двигателе.
В конденсаторном пусковом двигателе , пусковой конденсатор вставлен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь, которая способна к гораздо большему фазовому сдвигу (и, следовательно, гораздо большему пусковому крутящему моменту). Конденсатор, естественно, увеличивает стоимость таких двигателей.
Другой вариант — двигатель с постоянным разделенным конденсатором (PSC) (также известный как конденсаторный двигатель запуска и работы). Этот двигатель работает аналогично двигателю с конденсаторным пуском, описанному выше, но здесь нет переключателя центробежного пуска, а вторая обмотка постоянно подключена к источнику питания.Двигатели PSC часто используются в кондиционерах, вентиляторах и воздуходувках, а также в других случаях, когда требуется регулируемая скорость.
Отталкивающие двигатели — однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, аналогичные универсальным двигателям. В отталкивающем двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не соединены последовательно с полем. Было изготовлено несколько типов отталкивающих двигателей, но наиболее часто использовался асинхронный двигатель с отталкивающим пуском, (RS-IR).Двигатель RS-IR имеет центробежный переключатель, который закорачивает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный двигатель после разгона до полной скорости. Двигатели RS-IR используются для обеспечения высокого пускового момента на ампер в условиях низких рабочих температур и плохого регулирования напряжения источника. По состоянию на 2006 год было продано немного отталкивающих двигателей любого типа.
Однофазные синхронные двигатели переменного тока
Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть спроектированы с намагниченными роторами (или несколькими вариантами этой идеи).Роторы в этих двигателях не нуждаются в наведенном токе, поэтому они не скользят назад против частоты сети. Вместо этого они вращаются синхронно с частотой сети. Из-за высокой точности скорости такие двигатели обычно используются для питания механических часов, проигрывателей виниловых пластинок и ленточных накопителей; раньше они также широко использовались в приборах точного времени, таких как ленточные самописцы или механизмы привода телескопов. Синхронный двигатель с расщепленными полюсами — это одна из версий.
Моментные двигатели
Моментные двигатели — это особая разновидность асинхронных двигателей, которые могут работать неограниченное время при остановке (с заблокированным от вращения ротором) без повреждений.В этом режиме двигатель будет прикладывать постоянный крутящий момент к нагрузке (отсюда и название). Обычное применение моментного двигателя — это двигатели подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимые в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей позволяют приложить относительно постоянное легкое натяжение к ленте, независимо от того, протягивает ли ведущая лента мимо головок ленты. Управляемые более высоким напряжением (и, следовательно, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут работать в режиме быстрой перемотки вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты.В компьютерном мире моментные двигатели используются с рулевыми колесами с обратной связью по усилию.
Шаговые двигатели
По конструкции тесно связаны с трехфазными синхронными двигателями переменного тока шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты, или большой железный сердечник с выступающими полюсами, управляется набором внешних магнитов, которые переключаются электронно. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и соленоидом. Поскольку каждая катушка поочередно получает питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, в его применении двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» от одного положения к другому, когда обмотки возбуждения последовательно включаются и отключаются. 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. Таким образом, двигатель будет действовать как двигатель постоянного тока с постоянным возбуждением (двигатель постоянного тока с независимым возбуждением).
Эти двигатели обычно имеют небольшую мощность, до нескольких лошадиных сил. Они используются в небольших 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 сиденья, электрических стеклоподъемников, люка в крыше, регулировки зеркал, электродвигателей нагнетателя, вентиляторов охлаждения двигателя и т.п.
Последняя разработка — двигатели ПСМ для электромобилей.- Высокая эффективность — Минимальный фиксирующий момент и крутящий момент неровности поверхности — Небольшая занимаемая площадь, компактные размеры — Малый вес источник [3]
Бесщеточные двигатели постоянного тока
Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимания щеток к коммутатору. Это создает трение. На более высоких скоростях щеткам становится 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. Неидеальный электрический контакт также вызывает электрические помехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подлежит износу и техническому обслуживанию. Сборка коммутатора на большой машине — дорогостоящий элемент, требующий точной сборки многих деталей.
Эти проблемы устранены в бесщеточном двигателе. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коммутатора / щеточного устройства заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора.Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85-90 процентов, тогда как двигатели постоянного тока с щеткой обычно имеют КПД 75-80 процентов.
На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями лежит область бесщеточных двигателей постоянного тока. Построенные по принципу, очень похожему на шаговые двигатели, они часто используют внешний ротор с постоянным магнитом , три фазы управляющих катушек, одно или несколько устройств на эффекте Холла для определения положения ротора и соответствующую приводную электронику. В специализированном классе контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока для определения положения и скорости используется обратная связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла.Эти двигатели широко используются в электрических радиоуправляемых транспортных средствах и упоминаются моделистами как двигатели outrunner (поскольку магниты находятся снаружи).
Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно используются там, где требуется точное управление скоростью, в дисководах компьютеров или в видеомагнитофонах, шпинделях в приводах компакт-дисков, компакт-дисков (и т. Д.), А также в механизмах в офисных изделиях, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. . У них есть несколько преимуществ перед обычными двигателями:
- По сравнению с вентиляторами переменного тока, использующими двигатели с экранированными полюсами, они очень эффективны и работают намного холоднее, чем эквивалентные двигатели переменного тока.Такой холодный режим работы приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора.
- Без изнашиваемого коммутатора 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 большое количество электрических и радиочастотных помех; без коммутатора или щеток бесщеточный двигатель может использоваться в электрически чувствительных устройствах, таких как аудиооборудование или компьютеры.
- Те же устройства на эффекте Холла, которые обеспечивают коммутацию, также могут обеспечивать удобный сигнал тахометра для приложений с замкнутым контуром (сервоуправлением).В вентиляторах сигнал тахометра может использоваться для получения сигнала «вентилятор исправен».
- Двигатель можно легко синхронизировать с внутренними или внешними часами, что позволяет точно регулировать скорость.
- Бесщеточные двигатели не имеют шансов искрообразования, в отличие от щеточных двигателей, что делает их более подходящими для сред с летучими химическими веществами и топливом.
Современные бесщеточные двигатели постоянного тока имеют мощность от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более мощные бесщеточные двигатели мощностью до 100 кВт.Они также находят значительное применение в высокопроизводительных электрических моделях самолетов.
Двигатели постоянного тока без сердечника
Ничто в конструкции любого из описанных выше двигателей не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались; крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов. Этим фактом пользуется бесщеточный электродвигатель постоянного тока , специализированная форма щеточного электродвигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого разгона, имеют ротор без железного сердечника.Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра внутри магнитов статора, корзины, окружающей магниты статора, или плоского блинчика (возможно, сформированного на печатной монтажной плате), проходящего между верхним и нижним магнитами статора. Обмотки обычно стабилизируются путем пропитки эпоксидной смолой.
Поскольку ротор намного легче по весу (массе), чем обычный ротор, сформированный 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 могла бы служить радиатором, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом.
Эти двигатели обычно использовались для привода приводов магнитных лент и до сих пор широко используются в высокопроизводительных системах с сервоуправлением.
Линейные двигатели
Линейный двигатель — это, по сути, электродвигатель, который «раскручен» так, 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 двигатели или шаговые двигатели. Вы можете найти линейный двигатель в поезде на магнитной подвеске (Transrapid), где поезд «летит» над землей.
Электродвигатель с двойным питанием
Электродвигатели с двойным питанием или Электромашины с двойным питанием включают в себя две группы многофазных обмоток с независимым питанием, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т.е. комплекты обмоток с электронным управлением для синхронной работы от субсинхронных до сверхсинхронных скоростей.В результате электродвигатели с двойной подачей питания представляют собой синхронные машины с эффективным диапазоном скоростей с постоянным крутящим моментом, который в два раза превышает синхронную скорость для данной частоты возбуждения. Это вдвое больше диапазона скоростей с постоянным крутящим моментом, чем у электрических машин с одиночным питанием, в которых используется одна активная обмотка. Теоретически этот атрибут имеет привлекательные разветвления по стоимости, размеру и эффективности по сравнению с электрическими машинами с одинарным питанием, но двигатели с двойным питанием трудно реализовать на практике.
Электромашины с двойным питанием и бесщеточным ротором с двойным питанием, бесщеточные электрические машины с двойным питанием и так называемые бесщеточные электрические машины с двойным питанием — единственные примеры синхронных электрических машин с двойным питанием.
Электродвигатель с однополярным питанием
Электродвигатели с однополярным питанием или Электромашины с однополярным питанием включают в себя одну многофазную обмотку, которая активно участвует в процессе преобразования энергии (т. Электромашины с однополярным питанием работают либо по индукционным (т.е. асинхронным), либо по синхронным принципам. Комплект активной обмотки может иметь электронное управление для оптимальной производительности. Индукционные машины демонстрируют пусковой момент и могут работать как автономные машины, но синхронные машины должны иметь вспомогательные средства для запуска и практической работы, такие как электронный контроллер.
Асинхронные двигатели (т. Е. С короткозамкнутым ротором или с фазным ротором), синхронные двигатели (т. Е. С возбуждением от поля, с постоянными магнитами или бесщеточные двигатели постоянного тока, реактивные двигатели и т. Д.), Которые обсуждаются на этой странице, являются примеры двигателей с однополярным питанием. Безусловно, двигатели с однополярным питанием — это преимущественно устанавливаемые двигатели.
Двигатель с двумя механическими портами
Электродвигатели с двумя механическими портами (или электродвигатель DMP) считается новой концепцией электродвигателей.Точнее, электродвигатели DMP — это на самом деле два электродвигателя (или генератора), занимающие один и тот же корпус. Каждый двигатель работает по традиционным принципам электродвигателя. Электрические порты, которые могут включать в себя электронную опору электродвигателей, связаны с одним электрическим портом, в то время как два механических порта (вала) доступны снаружи. Теоретически ожидается, что физическая интеграция двух двигателей в один увеличит удельную мощность за счет эффективного использования в противном случае ненужной площади магнитного сердечника.Механика интеграции, например, для двух механических валов, может быть довольно экзотической.
Наномотор с нанотрубками
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали подшипники вращения на основе многослойных углеродных нанотрубок. Прикрепив золотую пластину (размером порядка 100 нм) к внешней оболочке подвешенной многослойной углеродной нанотрубки (например, вложенных углеродных цилиндров), они могут электростатически вращать внешнюю оболочку относительно внутреннего ядра.Эти подшипники очень прочные; Устройства колебались тысячи раз без признаков износа. Работа была сделана на месте в SEM. Эти наноэлектромеханические системы (НЭМС) являются следующим шагом в миниатюризации, которая в будущем может найти свое применение в коммерческих целях.
Процесс и технология показаны на этом рендере.
Пускатели двигателя
Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. При первом подаче питания на двигатель якорь не вращается.В этот момент противоэдс равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя меньше одного Ом; поэтому ток через якорь при подаче питания будет очень большим. Этот ток может вызвать чрезмерное падение напряжения, что повлияет на другое оборудование в цепи. Или просто отключите устройства защиты от перегрузки.
- Следовательно, возникает необходимость в дополнительном сопротивлении, включенном последовательно с якорем, для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не сможет создать противоэдс.По мере увеличения скорости вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.
Трехточечный пускатель
Входящая мощность обозначается как L1 и L2. Компоненты, обозначенные пунктирными линиями, образуют трехточечный стартер. Как следует из названия, есть только три соединения с пускателем. Подключения к якорю обозначены как A1 и A2. Концы катушки возбуждения (возбуждения) обозначены как F1. и F2. Для управления скоростью полевой реостат соединен последовательно с шунтирующим полем.Одна сторона линии соединена с рычагом стартера (на схеме обозначена стрелкой). Рычаг подпружинен, поэтому он вернется в положение «Выкл.», Которое не удерживается ни в каком другом положении.
- На первом этапе плеча полное линейное напряжение прикладывается к полю шунта. Поскольку полевой реостат обычно устанавливается на минимальное сопротивление, скорость двигателя не будет чрезмерной; кроме того, двигатель будет развивать большой пусковой крутящий момент.
- Стартер также соединяет электромагнит последовательно с шунтирующим полем.Он будет удерживать рычаг в положении, когда рычаг касается магнита.
- Между тем это напряжение подается на шунтирующее поле, а пусковое сопротивление ограничивает прохождение тока к якорю.
- По мере того, как двигатель набирает скорость, нарастает противо-ЭДС, рычаг медленно перемещается в положение 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, подведенной к стартеру.Когда рычаг перемещается из положения «Выкл.», Катушка удерживающего магнита подключается к линии. Удерживающий магнит и пусковые резисторы работают так же, как и в трехпозиционном пускателе.
- Возможность случайного размыкания цепи возбуждения весьма мала. Четырехточечный пускатель обеспечивает защиту двигателя от обесточивания. В случае сбоя питания двигатель отключается от сети.
См. Также
Компоненты:
- Центробежный переключатель
- Коммутатор (электрический)
- Контактное кольцо
Ученые и инженеры:
Применения:
- Настольная пила
- Электромобиль
- Коррекция коэффициента мощности
Другое:
- Электротехника
- Электрический элемент
- Электрогенератор
- Список тем по электронике
- Список технологий
- Теорема максимальной мощности
- Мотор-генератор
- Контроллер двигателя
- Метод движения
- Однофазный электроэнергия
- Хронология развития двигателей и двигателей
Примечания
Ссылки
- Bedford, B.Д., Р. Г. Хофт и др. 1964. Принципы инверторных цепей. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0471061344. (Для управления скоростью двигателя с регулируемой частотой используются схемы инвертора)
- Чиассон, Джон Н. 2005. Моделирование и высокопроизводительное управление электрическими машинами , Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press. ISBN 047168449X.
- Fink, Donald G .; Бити, Х. Уэйн (1978). Стандартное руководство для инженеров-электриков, одиннадцатое издание. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.ISBN 007020974X.
- Фицджеральд, А. Э., Чарльз Кингсли младший, Стивен Д. Уманс. 2002. Электрические машины. Колумбус, Огайо: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 0073660094.
- Houston, Edwin J .; Артур Кеннелли, (1902) Последние типы динамо-электрических машин. , авторское право American Technical Book Company 1897, Нью-Йорк, Нью-Йорк: P.F. Кольер и сыновья. ASIN: B000874XH6
- Купхальдт, Тони Р. Уроки электрических цепей — Том II. 2000-2006.Глава 13 ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. дата обращения 11 апреля 2006 г.
- Пелли Б. Р. (1971). Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклоконвертеры. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 0471677906
- Шейнфилд Д. Дж. (2001). Промышленная электроника для инженеров, химиков и техников. Норвич, Нью-Йорк: Издательство Уильяма Эндрю. ISBN 0815514670.
- Smith, A.O. Электродвигатели переменного и постоянного тока. [4]. accessdate 11 апреля 2006 г.
Внешние ссылки
Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.
Источники информации
Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия 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 указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов Энциклопедии Нового Света, и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна для исследователей здесь:
История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :
Примечание. могут применяться ограничения на использование отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.
Генераторы постоянного тока| Генераторы постоянного тока
Базовая структура электрических машин:
Вращающаяся машина состоит из двух частей: , статора и , ротора .Статор не движется, и это внешняя рама машины, в то время как ротор является подвижной и внутренней частью машины. Они сделаны из ферромагнитного материала. Прорези прорезаны на внутренней кромке статора и внешней периферии ротора. В эти прорези помещаются проводники. Эти проводники соединены в обмотку, и в этих обмотках индуцируется напряжение, называемое обмоткой якоря. Обмотка, создающая основной поток, называется обмоткой возбуждения. Постоянный магнит также может использоваться для создания основного потока в некоторых машинах.
Машиныпостоянного тока бывают двух типов: генератор постоянного тока и двигатель постоянного тока. Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую, называется генератором постоянного тока, а устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую энергию, называется двигателем постоянного тока.
Конструкция генератора постоянного тока:
Генератор постоянного тока состоит из трех основных частей:
- Система магнитного поля.
- Арматура.
- Коммутатор и щётка.
Система магнитного поля:
Стационарная часть машины, которая производит основной магнитный поток, называется системой магнитного поля. Его внешняя рама представляет собой ярмо, которое состоит из полого цилиндра из стального литья или стального проката. Ярмо генератора постоянного тока закреплено болтами с четным числом полюсов. Ярмо служит двум целям:
- Он выступает в качестве опоры и защиты полюсных жил.
- Используется в составе магнитной цепи.
Поскольку полюса направлены внутрь, их называют выступающими полюсами. Каждый полюсный сердечник имеет полюсный башмак с изогнутой поверхностью. Башмак служит двум целям:
- Он поддерживает катушки возбуждения.
- Увеличивает площадь поперечного сечения магнитопровода и снижает его сопротивление.
Полюса ламинированы для уменьшения потерь на вихревые токи.
Арматура:
Якорь — это вращающаяся часть D.Машина C. Он состоит из вала, на котором установлен пластинчатый цилиндр (сердечник якоря). Назначение ламинирования — уменьшение потерь на вихревые токи, а изолированный проводник вставляется в паз сердечника якоря, это называется обмоткой якоря. В якорях используются два типа обмоток — волна и виток .
Коммутатор и щетка:
Коммутатор состоит из большого количества сегментов клиновидной формы, изготовленных из твердотянутой меди.Эти сегменты изолированы друг от друга с помощью листовой слюды. Он имеет форму гладкого цилиндра, поверх которого предусмотрены угольные щетки, которые находятся в положении касания круглой поверхности цилиндра.
Коммутатор и якорь находятся на одном валу. Если механическая энергия подается на машину в присутствии магнитного поля, в проводнике якоря генерируется ЭДС переменного тока, который затем собирается угольными щетками, и говорят, что машина работает в генерирующем режиме.Это функция коммутатора — преобразовывать весь отрицательный полупериод в положительный цикл и сглаживать пульсации в выходное напряжение. С другой стороны, когда якорь подключен к источнику постоянного тока через угольные щетки в коммутаторе, крутящий момент создается и действует на каждый проводник якоря, и машина начинает работать как двигатель. Поэтому можно сказать, что угольная щетка вместе с коммутатором ведет себя как механический выпрямитель или инвертор.
Эквивалентная схема D.Якорь машины C:
Эквивалентная электрическая схема используется для представления якоря генератора постоянного тока. Он может быть представлен тремя последовательно соединенными элементами E, R a и V b . Элемент E — это генерируемое напряжение, R a — сопротивление якоря, а V b — падение напряжения на контакте щетки. Эквивалентная схема якоря генератора постоянного тока, двигателя постоянного тока показана ниже. В случае двигателя постоянного тока E — это противоэдс.
Рисунок: Эквивалентные схемы якоря (а) D.Генератор C (b) Двигатель постоянного тока
Что такое электрическая машина?
Электрическая машина — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую или наоборот. Электрические машины также включают трансформаторы, которые фактически не преобразуют механическую и электрическую форму, а преобразуют переменный ток с одного уровня напряжения на другой.Электрогенератор:
Электрогенератор — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую.Генератор работает по принципу электромагнитной индукции. Он утверждает, что всякий раз, когда проводник движется в магнитном поле, внутри проводника индуцируется ЭДС. Это явление называется генератором.Генератор в основном состоит из статора и ротора. Механическая энергия передается на ротор генератора с помощью первичного двигателя (то есть турбины). Турбины бывают разных типов, такие как паровая турбина, водяная турбина, ветряная турбина и т. Д. Механическая энергия также может быть обеспечена двигателями внутреннего сгорания или аналогичными другими источниками.
Чтобы узнать больше о том, как работают генераторы, прочтите следующие статьи.- Генератор переменного тока (преобразует механическую энергию в электричество переменного тока)
- Генератор постоянного тока (преобразует механическую энергию в электричество постоянного тока)
Электродвигатель:
Двигатель — это электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует механическая сила, и это принцип действия двигателя.Как и генераторы, двигатели состоят из двух основных частей: статора и ротора. Во многих типах двигателей необходимо обеспечить электропитание как обмотки статора, так и обмотки ротора. Но в некоторых типах двигателей, таких как двигатели с фиксированным магнитом и асинхронные двигатели, может потребоваться питание только для одной обмотки. Электромагнитная сила между двумя обмотками заставляет ротор вращаться.
Чтобы узнать больше об электродвигателях, прочтите следующие статьи.Трансформаторы:
Трансформаторы фактически не преобразуют механическую энергию в электрическую, но они передают электрическую энергию из одной цепи в другую.Они могут увеличивать или уменьшать (повышать или понижать) напряжение при передаче мощности без изменения частоты, но с соответствующим уменьшением или увеличением тока. Входная мощность и выходная мощность электрического трансформатора в идеале должны быть одинаковыми.Повышающие трансформаторы повышают уровень напряжения от первичной к вторичной, но с соответствующим уменьшением тока. В то время как понижающий трансформатор снижает уровень напряжения с соответствующим увеличением тока, чтобы поддерживать постоянную мощность.
Вы можете найти статьи, связанные с электрическими машинами, по следующей ссылке —
Index of Electrical Machines.
Сравнение двигателей переменного токаи двигателей постоянного тока
Между двигателями переменного тока и двигателями постоянного тока есть несколько ключевых различий, помимо очевидного, которое связано с питанием каждого из этих компонентов. Ниже приводится краткое описание каждого из этих типов двигателей с кратким описанием различий между ними.
Чтобы узнать больше о различных типах двигателей, обратитесь к нашему руководству по покупке двигателей.
Что такое двигатели переменного тока?
Двигатели переменного тока— это электромеханические устройства, преобразующие электрическую энергию в виде переменного напряжения и тока в механическую энергию. Асинхронные двигатели бывают разных типов, которые можно охарактеризовать как асинхронные двигатели (асинхронные) или синхронные двигатели, которые содержат статор и ротор. Асинхронные двигатели могут быть однофазными или многофазными, в то время как синхронные двигатели включают электродвигатели с сопротивлением и электродвигатели с гистерезисом.См. Соответствующее руководство «Типы двигателей переменного тока», чтобы узнать больше о каждом из них.
Что такое двигатели постоянного тока?
Двигатели постоянного тока могут преобразовывать электрическую энергию, подаваемую на них в виде постоянного тока, в механическую энергию вращения. То же устройство можно использовать в обратном направлении для выработки электроэнергии постоянного тока от вращения вала двигателя. При таком использовании устройство работает как генератор. Доступны несколько основных типов двигателей постоянного тока. К ним относятся двигатели постоянного тока с постоянным магнитом, двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой, шунтирующие двигатели постоянного тока, комбинированные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока.В нашем соответствующем руководстве «Типы двигателей постоянного тока» содержится дополнительная информация о каждом из этих типов.
Чем электродвигатели переменного и постоянного тока отличаются друг от друга?
Хотя двигатели переменного и постоянного тока вырабатывают механическую энергию в виде вращающегося вала двигателя, между ними есть несколько ключевых отличий:
Входная мощность
Двигатели переменного токаработают от входного электрического сигнала, представляющего собой переменный ток и напряжение, которые меняются по амплитуде и направлению по мере завершения цикла входной формы волны переменного тока.Двигатели переменного тока могут работать как от однофазного источника питания, так и от многофазного источника с несколькими входами напряжения, которые работают с разностью фаз друг от друга (обычно 120 o или 2π / 3 радиана в случае трехфазного мощность). Двигатели постоянного тока питаются от однонаправленного тока (который не меняет направление со временем), подаваемого от источника постоянного тока. Общая значимость мощности переменного тока означает, что может возникнуть необходимость в преобразовании в мощность постоянного тока при использовании двигателя постоянного тока, например при использовании преобразователя переменного тока в постоянный или источника питания постоянного тока.
Магнитное поле
В многофазных двигателях переменного тока, поскольку катушки статора питаются переменным током, создается вращающееся магнитное поле, или RMF, которое, согласно закону индукции Фарадея, генерирует ЭДС в катушках ротора. Эта ЭДС приводит к возникновению тока в роторе и приложенного чистого крутящего момента, заставляющего его вращаться, а также генерирующего вращающееся магнитное поле. Асинхронные двигатели проявляют явление, известное как скольжение, при котором скорость ротора (N r ) меньше синхронной скорости вращающегося поля статора (N s ).Сдвиг математически выражается как:
В двигателе постоянного тока постоянный магнит или набор катушек возбуждения создают магнитное поле, которое не вращается. На катушки якоря подается ток, в результате чего якорь вращается.
Конструкция с прямым и косвенным подключением
В двигателе переменного тока подача питания на катушки статора через прямое подключение к многофазному источнику питания переменного тока — это все, что необходимо для вращения ротора.Принцип электромагнитной индукции генерирует ток в роторе без необходимости прямого электрического подключения.
Для двигателя постоянного тока ток должен подаваться как на катушки постоянного возбуждения (если не используется постоянный магнит), так и на якорь. Для этого в щеточных двигателях постоянного тока используется набор подпружиненных угольных щеток, которые прижимаются к кольцу коммутатора, по которому ток проходит к катушкам якоря и катушкам возбуждения при вращении якоря.В зависимости от того, выполняется ли соединение катушки возбуждения параллельно с катушкой якоря (параллельный двигатель) или последовательно с катушкой якоря (двигатель с последовательной обмоткой), результирующая конфигурация двигателя постоянного тока будет иметь разные рабочие характеристики.
Использование щеток и коммутатора оказывает несколько влияний на работу двигателей постоянного тока:
- Щетки подвержены износу из-за механического трения, а это означает, что ремонт и замена щеток неизбежны, что влияет на размещение двигателя из-за необходимости доступа.
- Контакт щетки с коммутатором может вызвать искры и дугу, которые могут вызвать точечную коррозию и повреждение коммутатора, а также могут быть источником воспламенения — проблема в некоторых средах, где существует риск воздействия легковоспламеняющихся паров или газов.
- Трение щетки является причиной снижения эффективности двигателей постоянного тока, которые их используют, поскольку часть входящей энергии расходуется на трение и не используется для создания движения.
- Щеточные двигатели постоянного тока создают больше шума и образуют пыль из-за износа щетки, которая обычно представляет собой углерод или графит.
Контроль скорости
В двигателе переменного тока скорость двигателя регулируется входной частотой переменного тока, подаваемого на катушки статора, и прямо пропорциональна. По мере увеличения частоты увеличивается скорость двигателя. Контроллеры частотно-регулируемого привода используются для регулировки входной частоты по желанию для достижения желаемой скорости вращения двигателя.
Для двигателей постоянного тока скорость устройства регулируется путем изменения напряжения и тока, которые прикладываются к катушкам или обмоткам якоря, или путем регулирования тока, протекающего по катушкам возбуждения (следовательно, влияя на силу магнитного поля для катушка возбуждения).Соотношение скорости и тока снова пропорционально.
Механизм запуска
Многофазные двигатели переменного тока считаются самозапускающимися и не требуют дополнительной электроники, кроме частотного регулирования скорости. Как однофазные двигатели переменного тока, так и двигатели постоянного тока требуют пускового механизма для управления условиями пуска. Например, в больших двигателях постоянного тока обратная ЭДС, генерируемая в якоре, пропорциональна скорости якоря и поэтому мала при запуске.Это состояние может вызвать сильный ток через якорь, потенциально вызывающий выгорание. Таким образом, для этих двигателей необходимо контролировать нарастание входного напряжения при запуске.
Производительность
Двигатели переменного токачасто используются из-за их высокоскоростного и переменного крутящего момента, но обычно крутящий момент будет падать с увеличением скорости двигателя. Двигатели постоянного тока могут обеспечивать высокий крутящий момент и полезны там, где требуется регулирование скорости. Двигатели постоянного тока могут обеспечивать более постоянный крутящий момент во всем диапазоне скоростей и, как правило, обеспечивать более быструю реакцию на изменения нагрузки, чем двигатели переменного тока.В зависимости от конфигурации соединения катушек (последовательное или параллельное) для двигателей постоянного тока могут быть получены разные характеристики в зависимости от значения нагрузки. Серийные двигатели демонстрируют более высокий пусковой крутящий момент, но имеют более резкое падение скорости при увеличении нагрузки. Параллельные или параллельные двигатели постоянного тока обеспечивают более низкий пусковой момент, но имеют более плоское соотношение скорости к нагрузке и, следовательно, могут обеспечивать постоянную скорость почти независимо от приложенной нагрузки.
Двигатели переменного токастрадают от проблем с эффективностью из-за потерь индукционного тока и скольжения, упомянутых ранее.Двигатели постоянного тока, в которых используются постоянные магниты, могут быть примерно на 30% эффективнее, поскольку им не нужно потреблять энергию для создания электромагнита, но есть некоторая потеря эффективности из-за потерь энергии из-за трения щеток. Бесщеточные двигатели постоянного тока более эффективны, чем двигатели со щетками, но прирост эффективности достигается в основном на участках кривой производительности двигателя с низкой или нулевой нагрузкой.
Прочие соображения
Для данного количества механической работы двигатели переменного тока обычно больше, чем двигатели постоянного тока, а бесщеточные конструкции постоянного тока являются наименьшими.Двигатели переменного тока имеют длительный срок службы, в то время как двигатели постоянного тока требуют большего обслуживания для тех конструкций, в которых используются щетки и коммутаторы, которые имеют механический износ. Двигатели с электронной коммутацией (ЭСУД) представляют собой бесщеточные двигатели постоянного тока, которые исключают механическую коммутацию и использование щеток в пользу электронной коммутации и управления, тем самым увеличивая срок службы, снижая энергопотребление, обеспечивая охлаждение и улучшая производительность.
Сводка
В этой статье представлено краткое обсуждение разницы между двигателями переменного и постоянного тока.Для получения информации о других продуктах обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.
Источники:
- http://www.ohioelectricmotors.com/2015/07/what-is-the-difference-between-an-ac-motor-and-a-dc-motor/
- https://www.precision-elec.com/difference-between-ac-and-dc-motors/
- https://www.powerelectric.com/motor-resources/motors101/ac-motors-vs-dc-motors
- https: // физикаоб.com / двигатель переменного тока и двигатель постоянного тока /
- https://www.orientalmotor.com/brushless-dc-motors-gear-motors/technology/AC-brushless-brasted-motors.html
- https://www.machinedesign.com/motion-control/what-s-difference-between-ac-dc-and-ec-motors
- http://electricalacademia.com/electrical-comparisons/difference-between-ac-motor-and-dc-motor/
- https://www.veichi.org/solutions/related-articles/what-is-the-difference-between-ac-and-dc-motors.html
Прочие изделия из двигателей
Другие товары из категории Машины, инструменты и расходные материалы
Чем отличаются двигатели постоянного и переменного тока?
Время чтения: 6 минут Магнетизм и его эффекты — ключ к пониманию работы двигателя.Магнитный камень, природный минерал, проявляет характеристики стержневого магнита, у которого всегда есть северный и южный полюсы. Я говорю всегда, потому что, если бы вы разрезали стержневой магнит пополам, магнитные области двух новых частей переориентируются в соответствии с соответствующими северным и южным полюсами. Я уверен, что все помнят закон магнитного притяжения: как магнитные полюса отталкиваются друг от друга; в отличие от магнитных полюсов притягиваются друг к другу. Также важно понимать, что Земля генерирует собственное магнитное поле и, по сути, действует как гигантский стержневой магнит, имеющий северный и южный полюсы.Связь между магнетизмом и электричеством
Первым наблюдателем связи между магнетизмом и электричеством был датский физик Ганс Кристиан Эрстед. Он случайно обнаружил эту взаимосвязь, когда во время публичной лекции заметил, как стрелка компаса двигается, когда ее помещают рядом с проводником с током. Этот простой эксперимент продемонстрировал, как проводник с током создает магнитное поле . Это был первый зарегистрированный отчет о взаимодействии между магнитным полем и электрическим полем.
Но если электрический ток может создавать магнитное поле, может ли магнитное поле производить электрический ток? Английский физик Майкл Фарадей открыл этот принцип, известный как магнитная индукция . Если стержневой магнит перемещается внутри катушки с проволокой, генерируется электрический ток. Этот закон также помогает понять, как трансформаторы работают с первичной и вторичной обмотками. Правило правой руки дает нам графический способ исследовать взаимодействие между магнетизмом и электричеством.Идея состоит в том, чтобы взять правой рукой проводник с током и поместить большой палец в направлении тока. Остальные пальцы сгибаются в направлении магнитного поля вокруг проводника.
Рис. 1. Это правило иллюстрирует взаимодействие между магнетизмом и электричеством.
По определению, электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Электрический сигнал подается на вход двигателя, и на выходе двигателя создается определенный крутящий момент, связанный с характеристиками двигателя.Если вы думаете о притяжении и отталкивании северного и южного полюсов стержневого магнита, вы на пути к пониманию того, что должно происходить внутри ярма двигателя. Для достижения вращения должно быть некоторое взаимодействие между магнитным потоком, создаваемым электромагнетизмом внутри двигателя. Двигатели постоянного и переменного тока решают эту задачу по-разному.
Двигатели постоянного тока
Машиныпостоянного тока могут быть классифицированы как самовозбуждающиеся, отдельно возбужденные, с постоянным магнитом (ПМ) или бесщеточные. Машины с самовозбуждением можно разделить на шунтирующие, последовательные и составные.Составные машины можно разделить на накопительные и дифференциальные. Накопительные и дифференциальные машины можно разделить на длинные шунтирующие и короткие шунтирующие. Как видите, существует множество электрических конфигураций для машины постоянного тока. В этой статье мы остановимся на серийных и шунтирующих двигателях постоянного тока. Обратите внимание, что взаимосвязь возбуждения (неподвижная обмотка) и якоря (вращающаяся обмотка) определяет рабочие характеристики машины.
Параллельный двигатель постоянного тока имеет обмотку возбуждения, параллельную якорю.В параллельной схеме величина падения напряжения на каждом параллельном элементе одинакова, в то время как величина тока через каждую параллельную ветвь является функцией импеданса элемента. Обратите внимание, что в чисто резистивной цепи импеданс будет равен сопротивлению, поскольку в ней нет реактивной составляющей. Параллельные двигатели также называются двигателями с постоянной скоростью, поскольку они обеспечивают относительно стабильные характеристики скорости и крутящего момента под нагрузкой.
В серийном двигателе постоянного тока обмотка возбуждения включена последовательно с якорем.В последовательной схеме величина тока одинакова для всех последовательных элементов, в то время как величина падения напряжения на каждом последовательном элементе является функцией импеданса элемента. Серийные двигатели могут развивать очень высокий пусковой крутящий момент и обеспечивать отличные характеристики крутящего момента под нагрузкой. Недостаток — регулировка скорости; поэтому серийный двигатель никогда не рекомендуется эксплуатировать без механической нагрузки.
Терминология постоянного тока
Рисунок 2.Принципиальные схемы для последовательного и параллельного электродвигателя постоянного тока и для электродвигателя переменного тока с разделенной фазой.
Общие термины, которые вы услышите при обсуждении двигателей постоянного тока, включают: коммутаторы, щетки, противодействующую электродвижущую силу (ЭДС), крутящий момент, регулирование скорости и характеристические кривые скорость-крутящий момент. Коммутатор — это механическое устройство, и при правильном использовании в двигателе он направляет ток к якорю. Напротив, когда коммутатор используется в приложении генератора, он действует как выпрямитель, преобразуя генерируемое переменное напряжение машины в постоянное напряжение. Щетки , которые обычно изготавливаются из углерода, используются для перехода от неподвижного элемента к вращающемуся. Электродвижущая сила — это «разность потенциалов, которая существует между двумя разнородными электродами, погруженными в один и тот же электролит или иным образом соединенными ионными проводниками». Термины ЭДС и напряжение часто используются как взаимозаменяемые. Помните закон магнитной индукции Фарадея, согласно которому магнитное поле может генерировать электрический ток? Как выясняется в случае двигателя постоянного тока, когда якорь вращается через магнитное поле, создается индуцированное напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению, и это называется счетчиком ЭДС.
Крутящий момент — это сила вращения, которая в простейшем виде представляет собой алгебраическое произведение силы, умноженной на расстояние. Любой, кто работал с распределительным устройством или шинопроводом, знаком с динамометрическим ключом. Регулировка скорости — это мера того, как уменьшается скорость двигателя постоянного тока по мере увеличения механической нагрузки. Это функция сопротивления якоря. Характеристические кривые скорость-крутящий момент — это графики, которые показывают соотношение между скоростью в процентах от номинальной скорости икрутящий момент нагрузки в процентах от полного номинального значения. Эти термины очень полезны, поскольку они иллюстрируют, как приложенная механическая нагрузка повлияет на скорость и крутящий момент последовательных, параллельных или составных машин постоянного тока.
Таблица 1. Уравнения мощности для постоянного, однофазного и трехфазного переменного тока. Он также включает графическое средство, называемое треугольником мощности, которое использует тригонометрические обозначения для помощи при анализе коэффициента мощности. Наконец, включены некоторые практические уравнения для расчета мощности, крутящего момента и эффективности.
Двигатели переменного тока
Машиныпеременного тока можно разделить на индукционные, с фазным ротором и синхронные. Асинхронные двигатели можно разделить на трехфазные и однофазные. Трехфазные асинхронные двигатели можно разделить на треугольные и звездообразные. Однофазные двигатели могут быть дополнительно классифицированы как двухфазные, конденсаторные, конденсаторные, конденсаторные, с экранированными полюсами, отталкивающие и универсальные. Опять же, как вы можете видеть, существует несколько разновидностей двигателей переменного тока, и я попытался перечислить наиболее популярные в отрасли типы.Опять же, для целей этой статьи мы остановимся на обзоре асинхронного двигателя.
Асинхронный двигатель обычно называют асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Это связано с тем, что ротор сконструирован по типу беличьей клетки. Асинхронный двигатель имеет ротор (вращающуюся часть) и статор (неподвижную часть) внутри корпуса двигателя. Когда сигнал переменного тока подается на обмотку статора, создается вращающееся магнитное поле. Это вращающееся магнитное поле, в свою очередь, индуцирует сигнал в роторе, который также генерирует вращающееся магнитное поле.Взаимодействие этих вращающихся магнитных полей вызывает вращение. Это важный принцип, о котором следует помнить; потому что в случае двигателя постоянного тока магнитное поле не изменяется во времени из-за приложенного сигнала.
Терминология переменного тока
Общие термины, которые вы услышите при обсуждении двигателей переменного тока: частота, синхронная скорость и скольжение. Форма волны переменного тока изменяется во времени или колеблется. Это означает, что его амплитуда начинается с нуля, увеличивается до некоторого максимального значения, возвращается к нулю, падает до некоторого минимального значения, а затем возвращается к нулю.Количество раз, которое это происходит в единицу времени, обозначается как частота . В Соединенных Штатах наша частота составляет 60 Гц или 60 циклов в секунду. Синхронная скорость относится к скорости вращающегося магнитного поля и является функцией приложенной частоты и количества полюсов статора в машине. Скольжение является мерой разницы между синхронной скоростью вращения поля статора и вращением поля ротора.