Устройство двигателя постоянного тока (ДПТ)

Устройство электродвигателя

Электрический двигатель — это  электрическая машина, в которой  электрическая энергия преобразуется  в механическую. Побочным эффектом является выделение тепла.

Устройство двигателя  постоянного тока (ДПТ)

Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в  определённых условиях способны работать как генераторы.

Статор

Устройство простейшего  коллекторного двигателя постоянного  тока с двухполюсным статором и с  двухполюсным ротором

Коллекторный двигатель  постоянного тока с двухполюсным статором и с трёхполюсным ротором

На статоре ДПТ располагаются  в зависимости от конструкции: постоянные магниты, обмотки возбуждения —  катушки, наводящие магнитный поток  возбуждения.

Двигатели постоянного тока различаются  по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения  существенно влияет на тяговые и  электрические характеристики электродвигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

Ротор

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько  десятков) катушек необходимо для  обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и  статора (т. е. создания максимального  момента на роторе).

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного  узла.

 

Щёточный (коллекторно-щёточный) узел

Графитовые щётки

Щёточный узел необходим для  подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка —  неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки часто  размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие  — при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти  процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором  взаимного положения полюсов  ротора относительно статора (снижая ток  коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

При больших токах в роторе ДПТ  возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может  постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения  щёток. Данное явление называется кольцевым  искрением коллектора или круговым огнём. Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора, и срок его службы значительно  сокращается. Визуально кольцевое  искрение проявляется в виде светящегося  кольца около коллектора.

Принцип работы

В электродвигателях происходит следующее  явление: электрический ток, протекая через провода статора, создаёт  магнитное поле перпендикулярно  магнитному полю ротора. Суммарное  магнитное поле статора и ротора и создает вращающий момент ротора.

С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать трансмиссии, станку, эскалатору метро и другим механизмам.

Таким образом, для создания простейшей демонстрационной модели электродвигателя необходимо иметь в наличии: источник тока, магнит, проводник. Виток проводника, помещённый в магнитное поле, начинает движение поперёк силовых линий  магнитного поля.

Принцип работы

Стиль этого раздела  неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Следует исправить раздел согласно стилистическим правилам Википедии.

В принципе работы электродвигателя постоянного тока есть два подхода:

1. рамка (2 стержня с замкнутыми концами) с током в магнитном поле статора
2. взаимодействие магнитных полей статора и ротора.

[править]Рамка с током, в однородном магнитном поле полюсов статора

В однородном магнитном поле полюсов статора с индукцией  , на два стержня рамки длиной  , и с током  , действует сила Ампера  , постоянной величины, равные:

 и направленные в противоположные  стороны.

Эти силы прикладываются к  плечам  , равным:

, где   — радиус рамки;

и создают крутящий момент  , равный:

.

Для двух стержней рамки, суммарный  крутящий момент равен:

.

Практически (из-за того, что  угловая ширина щётки   (в радианах) немного меньше угловой ширины зазора  , между пластинами (ламелями) коллектора, чтобы источник питания не замыкался накоротко) четыре небольших части под кривой крутящего момента, равные:

, где  ,

не участвуют в создании общего крутящего момента.

При числе витков в обмотке  равном  , крутящий момент будет равен:

.

Наибольший крутящий момент будет при угле поворота рамки  равном:  , то есть при угле 90°.

При этом угле поворота рамки  с током, вектора магнитных полей  статора и ротора (рамки) будут  перпендикулярны друг к другу, то есть под углом 90°. При угле поворота ротора (рамки) равном 180°, крутящий момент равен нулю (из-за нулевого плеча), но силы не равны нулю и это положение  ротора (рамки), при отсутствии переключения тока, весьма устойчиво и подобно  одному шагу в шаговом двигателе.

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента  средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода  :

.

При   витков в обмотке:

.

[править]Две рамки с током в однородном магнитном поле полюсов статора

Если на роторе машины установить вторую рамку, сдвинутую относительно первой на угол  , то получится четырёхполюсный ротор.

Момент второй рамки:

.

Суммарный момент обеих рамок:

.

Таким образом получается, что крутящий момент зависит от угла поворота ротора, но неравномерность меньше, чем при одной рамке. Кроме этого добавляется самозапуск из любого положения ротора. При этом для второй рамки потребуется второй коллектор (щёточно-коллекторный узел). Оба узла соединяются параллельно, при этом переключение тока в рамках происходит в интервалах с наименьшим током в рамках, при последовательном соединении переключение тока в одной из рамок (разрыв цепи) происходит во время максимального тока в другой рамке. Практически, из-за того, что угловая ширина щётки   (в радианах) немного меньше угловой ширины зазора   (в радианах) между пластинами коллектора (ламелями), восемь небольших частей под кривой крутящего момента, равных:

, где  ,

не участвуют в создании общего крутящего момента.

[править]Рамка с током, в неоднородном магнитном поле полюсов статора

Если магнитное поле полюсов  статора неоднородное и изменяется по отношению к стержням рамки  по закону:

,

то крутящий момент для  одного стержня будет равен:

,

для двух стержней:

,

для рамки из   витков:

.

В создании крутящего момента  не участвуют четыре части под  кривой крутящего момента равные:

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента  средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой делённой на длину периода  :

.

При   витках в обмотке:

.

[править]Две рамки с током, в неоднородном магнитном поле полюсов статора

Для второй (косинусной) рамки:

;

крутящий момент от второй (косинусной) рамки будет равен:

,

суммарный крутящий момент от обеих рамок равен:

,

то есть постоянен, и от угла поворота ротора не зависит.

Практически из-за наличия  зазора восемь небольших частей, под  кривой крутящего момента, равные:

 каждая,

в создании крутящего момента  не участвуют.

Для вычисления момента инерции ротора его можно считать, в первом приближении, сплошным однородным цилиндром с моментом инерции:

, где   — масса цилиндра (ротора),   — радиус цилиндра (ротора).

[править]Взаимодействие магнитных полей

Необходимо отметить, что  работа по вращению ротора (рамки с  током) совершается не за счет энергии  внешнего магнитного поля (поля статора), а за счет источника тока, поддерживающего  неизменным ток в контуре рамки. При изменениях магнитного потока, пронизывающего контур (рамку с током) при вращении, в этом контуре возникает э.д.с. индукции, направленная противоположно э.д.с. источника тока. Следовательно, источник тока, кроме работы, затрачиваемой на выделение ленц-джоулева тепла, должен совершать дополнительную работу против э.д.с. индукции. Сам же процесс вращения происходит за счет силы Лоренца, действующей на заряд, движущийся в магнитном поле. От носителя тока действие этой силы передается проводнику, по которому он перемещается. Ошибочно мнение, что ротор (рамка с током) приходит в движение за счет того, что его магнитное поле толкает магнитное поле статора.

Как осуществить пуск дпт

При включении двигателя  возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный в 10 – 20 раз. Для ограничения пускового  тока двигателей мощностью более 0,5 кВт последовательно с цепью  якоря включают пусковой реостат (рис. 7). 
Величину сопротивления пускового реостата можно определить по выражению 
Rn =U/(1,8 – 2,5)Iном-Rя 
где U – напряжение сети, В; 
Iном – номинальный ток двигателя. А; 
Rя – сопротивление обмотки якоря, Ом. 
Перед включением двигателя необходимо убедиться в том, что рычаг 2 пускового реостата (рис.7) находится на холостом контакте 0. затем включают рубильник и рычаг реостата переводят на первый промежуточный контакт. При этом двигатель возбуждается, а в цепи якоря появляется пусковой ток, величина которого ограничена всеми четырьмя секциями сопротивления Rn. По мере увеличения частоты вращения якоря пусковой ток уменьшается и рычаг реостата переводят на второй, третий контакт и т.д., пока он не окажется на рабочем контакте. 
Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременный режим работы, а поэтому рычаг реостата нельзя длительно задерживать на промежуточных контактах: в этом случае сопротивления реостата перегреваются и могут перегореть. 
. Прежде чем отключить двигатель от сети, необходимо рукоятку реостата перевести в крайнее левое положение. При этом двигатель отключается от сети, но цепь обмотки возбуждения остается замкнутой на сопротивление реостата. В противном случае могут появиться большие перенапряжения в обмотке возбуждения в момент размыкания цепи. 
При пуске в ход двигателей постоянного тока регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения следует полностью вывести для увеличения потока возбуждения. 
Для пуска двигателей с последовательным возбуждением применяют двухзажимные пусковые реостаты, отличающиеся от трехзажимных отсутствием медной дуги и наличием только двух зажимов – Л и Я. 
Kак производится маркировка выводных концов машин постоянного тока? 
В качестве примера рассмотрим маркировку выводных концов машины постоянного тока со смешанным возбуждением (рис. 7). 
Для определения выводных концов отдельных обмоток (последовательной C1, C2; параллельной ЦП, Ш2 и якорной Я1, Я2 с дополнительными полюсами Д1, Д2) необходимо иметь контрольную лампу или вольтметр и источник переменного тока. Та из трех обмоток, при касании которой лампа горит тускло, будет параллельной (шунтовой) обмоткой. Лампа не будет гореть при касании ее одним концом к коллектору машины, а другим – к выводам последовательной обмотки и будет гореть при касании к выводам обмотки дополнительных полюсов, соединенной с якорем.