Двигатель постоянного тока

Введение

Двигатель, работающий на постоянном токе.

Двигатель постоянного тока – это электродвигатель, использующий постоянный ток (DC) для создания механической силы. Наиболее распространенные типы основаны на магнитных силах, возникающих при протекании тока в обмотках. Почти все типы двигателей постоянного тока имеют внутренний механизм – электромеханический или электронный – для периодического изменения направления тока в части двигателя. Двигатели постоянного тока были первой широко используемой конструкцией двигателей, поскольку их можно было питать от существующих систем распределения электроэнергии постоянного тока, используемых для освещения. Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать в широком диапазоне, изменяя напряжение питания или силу тока в полевых обмотках. Небольшие двигатели постоянного тока используются в инструментах, игрушках и бытовой технике. Универсальный двигатель – легкий щеточный двигатель, применяемый в портативных электроинструментах и приборах – может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Более крупные двигатели постоянного тока в настоящее время используются в приводах электромобилей, лифтов и подъемных механизмов, а также в приводах сталепрокатных заводов. Развитие силовой электроники сделало возможной замену двигателей постоянного тока двигателями переменного тока во многих областях применения.

Электромагнитные двигатели

Катушка провода с протекающим через нее током генерирует электромагнитное поле, выровненное по центру катушки. Направление и величина магнитного поля, создаваемого катушкой, могут изменяться в зависимости от направления и величины протекающего через нее тока. Простой двигатель постоянного тока имеет неподвижный набор магнитов в статоре и якорь с одной или несколькими обмотками из изолированного провода, намотанными вокруг мягкого железного сердечника, который концентрирует магнитное поле. Обычно обмотки содержат несколько витков вокруг сердечника, а в больших двигателях может быть несколько параллельных путей тока. Концы проволочной обмотки соединены с коллектором. Коллектор позволяет последовательно подавать питание на каждую обмотку якоря и соединяет вращающиеся обмотки с внешним источником питания через щетки. (Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют электронику, которая включает и выключает постоянный ток в каждой катушке и не имеют щеток.) Общая сила тока, подаваемая в катушку, размер катушки и материал, вокруг которого она намотана, определяют силу создаваемого электромагнитного поля. Последовательность включения и выключения конкретной катушки определяет направление эффективных электромагнитных полей. Включая и выключая катушки последовательно, можно создать вращающееся магнитное поле. Эти вращающиеся магнитные поля взаимодействуют с магнитными полями магнитов (постоянных или электромагнитов) в неподвижной части двигателя (статоре), создавая крутящий момент на якоре, который заставляет его вращаться. В некоторых конструкциях двигателей постоянного тока для создания своих магнитных полей в полях статора используются электромагниты, что обеспечивает больший контроль над двигателем. При высоких уровнях мощности двигатели постоянного тока почти всегда охлаждаются принудительным воздушным потоком. Различное количество полей статора и якоря, а также способ их соединения обеспечивают различные характеристики регулирования скорости и крутящего момента. Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать, изменяя напряжение, подаваемое на якорь. Переменное сопротивление в цепи якоря или цепи возбуждения позволяет регулировать скорость. Современные двигатели постоянного тока часто управляются системами силовой электроники, которые регулируют напряжение, "разбивая" постоянный ток на циклы включения и выключения, которые имеют эффективное более низкое напряжение. Поскольку последовательно возбужденный двигатель постоянного тока развивает максимальный крутящий момент на низких скоростях, он часто используется в тяговых приложениях, таких как электрические локомотивы и трамваи. Двигатель постоянного тока на протяжении многих лет был основой электрических тяговых приводов как на электрических, так и на дизель-электрических локомотивах, трамваях и дизель-электрических буровых установках. Внедрение двигателей постоянного тока и электрической сети для привода машин, начиная с 1870-х годов, положило начало новой второй промышленной революции. Двигатели постоянного тока могут работать непосредственно от перезаряжаемых аккумуляторов, обеспечивая движущую силу для первых электромобилей и современных гибридных и электрических автомобилей, а также приводя в действие множество беспроводных инструментов. Сегодня двигатели постоянного тока все еще используются в таких небольших приложениях, как игрушки и дисководы, или в больших размерах для привода сталепрокатных заводов и бумагоделательных машин. Большие двигатели постоянного тока с независимым возбуждением обычно использовались с приводными механизмами лебедок для шахтных подъемников, обеспечивая высокий крутящий момент и плавное регулирование скорости с помощью тиристорных приводов. Теперь они заменяются большими двигателями переменного тока с приводами с переменной частотой. Если к двигателю постоянного тока прикладывается внешняя механическая мощность, он действует как генератор постоянного тока, динамо. Эта функция используется для замедления и подзарядки аккумуляторов в гибридных и электрических автомобилях или для возврата электроэнергии в электрическую сеть, используемую на трамваях или электрифицированных железнодорожных линиях при замедлении. Этот процесс называется рекуперативным торможением в гибридных и электрических автомобилях. В дизель-электрических локомотивах они также используют свои двигатели постоянного тока в качестве генераторов для замедления, но рассеивают энергию в резисторных батареях. Новые конструкции добавляют большие аккумуляторные батареи для восстановления части этой энергии.

A coil of wire with a current running through it generates an electromagnetic field aligned with the center of the coil. The direction and magnitude of the magnetic field produced by the coil can be changed with the direction and magnitude of the current flowing through it. A simple DC motor has a stationary set of magnets in the stator and an armature with one or more windings of insulated wire wrapped around a soft iron core that concentrates the magnetic field. The windings usually have multiple turns around the core, and in large motors there can be several parallel current paths. The ends of the wire winding are connected to a commutator. The commutator allows each armature coil to be energized in turn and connects the rotating coils with the external power supply through brushes. (Brushless DC motors have electronics that switch the DC current to each coil on and off and have no brushes.) The total amount of current sent to the coil, the coil's size, and what it is wrapped around decide the strength of the electromagnetic field created. The sequence of turning a particular coil on or off dictates what direction the effective electromagnetic fields are pointed. By turning on and off coils in sequence, a rotating magnetic field can be created. These rotating magnetic fields interact with the magnetic fields of the magnets (permanent or electromagnets) in the stationary part of the motor (stator) to create a torque on the armature which causes it to rotate. In some DC motor designs, the stator fields use electromagnets to create their magnetic fields which allows greater control over the motor. At high power levels, DC motors are almost always cooled using forced air. Different number of stator and armature fields as well as how they are connected provide different inherent speed and torque regulation characteristics. The speed of a DC motor can be controlled by changing the voltage applied to the armature. Variable resistance in the armature circuit or field circuit allows speed control. Modern DC motors are often controlled by power electronics systems which adjust the voltage by "chopping" the DC current into on and off cycles which have an effective lower voltage. Since the series wound DC motor develops its highest torque at low speed, it is often used in traction applications such as electric locomotives, and trams. The DC motor was the mainstay of electric traction drives on both electric and diesel electric locomotives, street cars/trams and diesel electric drilling rigs for many years. The introduction of DC motors and an electrical grid system to run machinery starting in the 1870s started a new second Industrial Revolution. DC motors can operate directly from rechargeable batteries, providing the motive power for the first electric vehicles and today's hybrid cars and electric cars as well as driving a host of cordless tools. Today DC motors are still found in applications as small as toys and disk drives, or in large sizes to operate steel rolling mills and paper machines. Large DC motors with separately excited fields were generally used with winder drives for mine hoists, for high torque as well as smooth speed control using thyristor drives. These are now replaced with large AC motors with variable frequency drives. If external mechanical power is applied to a DC motor it acts as a DC generator, a dynamo. This feature is used to slow down and recharge batteries on hybrid and electric cars or to return electricity back to the electric grid used on a street car or electric powered train line when they slow down. This process is called regenerative braking on hybrid and electric cars. In diesel electric locomotives they also use their DC motors as generators to slow down but dissipate the energy in resistor stacks. Newer designs are adding large battery packs to recapture some of this energy.

Почищенные

Электродвигатель постоянного тока с щеточным приводом генерирует крутящий момент непосредственно от постоянного тока, подаваемого в двигатель, посредством внутренней коммутации, стационарных магнитов (постоянных или электромагнитов) и вращающихся электромагнитов. Преимуществами двигателя постоянного тока с щетками являются низкая начальная стоимость, высокая надежность и простое управление скоростью вращения. К недостаткам относятся повышенное техническое обслуживание и ограниченный срок службы при интенсивном использовании. Техническое обслуживание включает регулярную замену угольных щеток и пружин, обеспечивающих передачу электрического тока, а также очистку или замену коллектора. Эти компоненты необходимы для передачи электрической энергии извне двигателя к вращающимся обмоткам ротора внутри двигателя. Щетки обычно изготавливаются из графита или углерода, иногда с добавлением диспергированной меди для повышения электропроводности. В процессе эксплуатации мягкий материал щетки изнашивается, подстраиваясь под диаметр коллектора, и продолжает изнашиваться. Держатель щетки оснащен пружиной для поддержания давления на щетку по мере ее укорачивания. Для щеток, рассчитанных на передачу тока более одного-двух ампер, в щетку впрессован вывод, который подключается к клеммам двигателя. Очень маленькие щетки могут полагаться на скользящий контакт с металлическим держателем щетки для передачи тока в щетку или на контактную пружину, прижимающуюся к концу щетки. В очень маленьких, недолговечных двигателях, например, используемых в игрушках, щетки могут быть изготовлены из сложенной металлической полоски, контактирующей с коллектором.

Без кистей

Типичные бесщеточные двигатели постоянного тока используют один или несколько постоянных магнитов в роторе и электромагниты на корпусе двигателя для статора. Контроллер двигателя преобразует постоянный ток в переменный. Эта конструкция механически проще, чем у щеточных двигателей, поскольку она устраняет сложность передачи энергии от внешнего источника к вращающемуся ротору. Контроллер двигателя может определять положение ротора с помощью датчиков Холла или аналогичных устройств и точно управлять временем, фазой и другими параметрами тока в обмотках ротора для оптимизации крутящего момента, экономии энергии, регулирования скорости и даже реализации торможения. Преимущества бесщеточных двигателей включают в себя длительный срок службы, минимальное или отсутствие необходимости обслуживания и высокую эффективность. К недостаткам относятся высокая первоначальная стоимость и более сложные контроллеры скорости двигателя. Некоторые из этих бесщеточных двигателей иногда называют "синхронными двигателями", хотя у них нет внешнего источника питания для синхронизации, как это бывает в случае с обычными синхронными двигателями переменного тока.

Некоммутированные

Другие типы двигателей постоянного тока не требуют коммутации. Гомополярный двигатель – Гомополярный двигатель имеет магнитное поле вдоль оси вращения и электрический ток, который в какой-то момент не параллелен магнитному полю. Название "гомополярный" отражает отсутствие смены полярности. Гомополярные двигатели обязательно имеют одновитковую катушку, что ограничивает их очень низким напряжением. Это ограничило практическое применение данного типа двигателей. Шарикоподшипниковый двигатель – Шарикоподшипниковый двигатель – это необычный электродвигатель, состоящий из двух шариковых подшипников, внутренние обоймы которых установлены на общем проводящем валу, а внешние обоймы подключены к источнику питания с высоким током и низким напряжением. Альтернативная конструкция предполагает размещение внешних обойм внутри металлической трубы, а внутренних обойм – на валу с непроводящим участком (например, два втулки на изолирующем стержне). Этот метод имеет преимущество в том, что труба будет выполнять функцию маховика. Направление вращения определяется начальным импульсом, который обычно необходим для запуска.

Статоры с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами (PM) не имеет обмотки возбуждения на статоре, а вместо этого использует PM для создания магнитного поля, с которым взаимодействует поле ротора, создавая крутящий момент. Компенсационные обмотки, включенные последовательно с обмоткой якоря, могут применяться в больших двигателях для улучшения коммутации под нагрузкой. Поскольку это поле фиксировано, его нельзя регулировать для управления скоростью. Поля постоянных магнитов (статоры) удобны в миниатюрных двигателях для исключения энергопотребления обмоткой возбуждения. Большинство крупных двигателей постоянного тока относятся к типу "динамо", который имеет обмотки статора. Исторически постоянные магниты не могли сохранять высокий магнитный поток после разборки; обмотки возбуждения были более практичным способом получения необходимого потока. Однако большие постоянные магниты дороги, а также опасны и сложны в сборке, что делает предпочтительным использование обмоток возбуждения в больших машинах. Для минимизации общего веса и размера миниатюрные двигатели PM могут использовать высокоэнергетические магниты из неодима или других стратегических элементов; большинство из них – сплав неодима, железа и бора. Благодаря более высокой плотности магнитного потока, электрические машины с высокоэнергетическими PM, по крайней мере, конкурентоспособны со всеми оптимально спроектированными синхронными и асинхронными электрическими машинами с односторонним питанием. Миниатюрные двигатели имеют конструкцию, аналогичную изображенной на иллюстрации, за исключением того, что они имеют как минимум три полюса ротора (для обеспечения запуска независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубу, которая обеспечивает магнитную связь внешних сторон изогнутых магнитов поля.

Статоры раны

Для двигателей постоянного тока возможны три типа электрических соединений между статором и ротором: последовательное, параллельное и смешанное (различные сочетания последовательного и параллельного соединений). Каждый из этих типов обладает уникальными характеристиками скорости и крутящего момента, оптимальными для различных профилей или сигнатур нагрузки.

Серийная связь

Серийный двигатель постоянного тока соединяет обмотку якоря и обмотку возбуждения последовательно с общим источником питания постоянного тока. Скорость двигателя изменяется как нелинейная функция от момента нагрузки и тока якоря; ток общий для статора и ротора, что приводит к квадратичной (I²) зависимости. Серийный двигатель обладает очень высоким пусковым моментом и обычно используется для запуска нагрузок с высоким моментом инерции, таких как поезда, лифты или лебедки. Эта характеристика зависимости скорости от момента нагрузки полезна в таких применениях, как драглайны, где рабочий орган быстро перемещается без нагрузки, но медленно – при транспортировке тяжелого груза. Серийный двигатель ни в коем случае нельзя запускать без нагрузки. При отсутствии механической нагрузки на серийный двигатель ток невелик, противоЭДС, создаваемая обмоткой возбуждения, слаба, и поэтому якорь должен вращаться быстрее, чтобы создать достаточную противоЭДС для компенсации напряжения питания. Двигатель может быть поврежден из-за превышения скорости. Это называется режимом неуправляемого разгона. Серийные двигатели, называемые универсальными, могут работать и от переменного тока. Поскольку напряжение на якоре и направление поля меняются одновременно, крутящий момент продолжает создаваться в том же направлении. Однако при питании от переменного тока они работают с более низкой скоростью и меньшим моментом по сравнению с постоянным током из-за падения напряжения на реактивном сопротивлении в переменном токе, которое отсутствует в постоянном токе. Поскольку скорость не связана с частотой сети, универсальные двигатели могут развивать скорости выше синхронной, что делает их легче индукционных двигателей той же номинальной механической мощности. Это ценное свойство для ручных электроинструментов. Универсальные двигатели для коммерческого использования обычно имеют небольшую мощность, не более 1 кВт. Однако для электрических локомотивов использовались гораздо более мощные универсальные двигатели, питаемые от специальных низкочастотных тяговых сетей, чтобы избежать проблем с коммутацией при больших и переменных нагрузках.

Стыковочное соединение

Шантный двигатель постоянного тока подключает обмотку якоря и обмотку возбуждения параллельно, к общему источнику питания постоянного тока. Этот тип двигателя обладает хорошей стабильностью скорости даже при изменении нагрузки, но не имеет высокого пускового момента, характерного для последовательного двигателя постоянного тока. Обычно он применяется в промышленных установках с регулируемой скоростью, таких как станки, машины для намотки и размотки, а также натяжители.

Соединение соединения

Составной двигатель постоянного тока соединяет обмотку якоря и обмотки возбуждения последовательно-параллельно, сочетая характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Этот двигатель применяется, когда необходимы одновременно высокий пусковой момент и хорошее регулирование скорости. Существует два способа соединения обмоток: кумулятивное и дифференциальное. В кумулятивных составных двигателях последовательная обмотка возбуждения складывается с параллельной, что обеспечивает более высокий пусковой момент, но ухудшает регулирование скорости. Дифференциально составные двигатели постоянного тока обладают хорошим регулированием скорости и обычно работают на постоянной скорости.