Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока

Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока

Простые и надежные, коллекторные двигатели постоянного тока обеспечивают высокий момент на небольших скоростях и являются хорошей базой для создания приводов и готовых сервосистем с обратной связью.

Коллекторные двигатели постоянного тока — рабочие лошадки промышленности. Они простые, надежные, экономичные. Эти двигатели обеспечивают хорошую регулировку на малых оборотах и, что более важно, высокий крутящий момент на низких скоростях. В связи с этим, при добавлении закрытого контура обратной связи, они могут успешно использоваться при решении задач управления движением.

Давайте взглянем ближе на базовую теорию коллекторных двигателей постоянного тока. Для более удобного и легкого восприятия статья разбита на две части. В этой первой части рассмотрены базовые законы электродинамики, которые лежат в основе работы коллекторных двигателей постоянного тока.

Простая модель — принцип двигателя постоянного тока

Закон Ампера говорит нам о том, что проводник с током генерирует магнитное поле (B-поле), ориентацию которого можно определить по правилу правой руки: если расположить правую руку так, чтобы большой палец указывал вдоль проводника по направлению тока, и согнуть остальные пальцы, то они будут огибать проводник в направлении линий магнитной поля (см. рис.1).

Рис.1а. Магнитное поле проводника с током.

Если вместо одиночного витка проводника мы используем многовитковую катушку (соленоид), поля, генерируемые витками, складываются в более сильное, равномерно распределённое однородное магнитное поле. Линии этого поля ориентированы практически параллельно центральной оси соленоида. Таким образом работают электромагниты.

Рис. 1б. Магнитное поле соленоида.

В простейшем варианте, поворотные двигатели постоянного тока состоят из неподвижного элемента (статора) и вращающегося элемента (ротора — якоря двигателя постоянного тока). И хотя на практике существует множество вариаций, включая вращающийся статор и неподвижный якорь, для упрощения понимания в данной статье мы будем подразумевать цилиндрический внутренний ротор и внешний статор, генерирующий магнитное поле за счет постоянных магнитов. Мы рассмотрим электродвигатель, приводимый в движение за счет взаимного воздействия полей, генерируемых ротором и статором.

От теории к практике — как создать электродвигатель

Каким образом применить имеющиеся знания к созданию реального двигателя? Давайте начнем с простого примера — двухполюсного коллекторного двигателя постоянного тока. Такой мотор включает в себя ротор (якорь) и статор, сформированным двумя разнополюсными постоянными магнитами. Якорь состоит из свободно вращающейся перекладины (рамки), установленной на центральный стержень, который в свою очередь установлен на подшипниках, прикрепленных к корпусу двигателя. Вместо рассмотренного ранее одиночного витка возьмем проводник и обернем его вокруг якоря несколько раз, чтобы сформировать обмотку с обеих сторон, но в разных направлениях. В результате при подключении проводника к источнику питания две обмотки создадут электромагнитные поля с противоположными полярностями.

Магнит можно рассматривать как собрание дипольных моментов, направленных в одну сторону. Подобная модель применима как к постоянным магнитам, так и электромагнитам. Магнитное поле вызывает усилие, направленное по вектору дипольных моментов соленоида. Другими словами, когда мы помещаем якорь в магнитное поле, индуцированное магнитами статора, это поле создает усилие и генерирует момент, вызывающий вращение якоря относительно своей центральной оси.

Рис.2. Схематичное изображение двухполюсного двигателя постоянного тока.

Приведенная простая модель имеет некоторые проблемы. Хотя сила остается постоянной при условии неизменности силы тока и магнитного поля, момент меняется как функция угла поворота θ. Так как якорь двигателя стремится повернуться таким образом, чтобы выровнять полюса обмотки в соответствии с полюсами статора, значение угла θ и sin(θ) падает, в конечном счете приводя момент к нулю. С практической стороны это означает, что якорь останавливается, когда его полюса выравниваются с полюсами магнитов статора. Имея существеннную массу, якорь может проскользнуть положение идеального выравнивания полюсов, но в этом случае образуется отрицательный момент, который вызовет движение в обратную сторону. Возникнет колебание вокруг положения равновесия, и в конечном итоге остановка.

В любом случае, запомним, что направление силы, возникающей по действием магнитного поля, будет определяться направлением тока. Это означает, что реверсирование направления тока в проводнике вызовет реверс действия силы и позволит магнитному полю опять создать момент. Если мы сможем переключить направление тока в момент, когда виток достигнет перпендикулярного положения, то сразу после того, как он отклонится далее под действием силы инерции мимо перпендикулярного положения, поле статора заставит виток поворачиваться далее, генерируя крутящий момент (рис.2). Таков принцип работы двигателя постоянного тока.

Читать еще:  Что обозначает рабочий объем двигателя

Чтобы заставить работать подобную модель, мы должны найти способ изменять направление тока в проводнике. В случае двигателя постоянного тока мы можем осуществить такое преключение добавив в электрический контур коммутатор (преключатель, или коллекторный узел), который будет переключать направление тока. Такой коммутатор состоит из разомкнутого кольца, закрепленного на оси якоря таким образом, чтобы оно двигалось вместе с осью якоря и соединялось с обмотками двигателя (рис.3). Чтобы подключить коммутатор к источнику питания используются щетки. Фактически эти элементы не являются щетками, это пластины из проводящего материала (в большинстве случаев графитовые, но иногда используются также и золотые или серебряные). Эти пластины закрепляются напротив коммутатора с помощью плоских пружин. При повороте якоря двигателя направление тока изменяется на противоположное через каждые 180°, позволяя двигателю продолжать вращение.

Рис.3. Коллектор двигателя постоянного тока

Во второй части статьи «Коллекторные двигатели постоянного тока — реализация моделей» рассмотрены варианты моделей двигателей — их преимущества и недостатки в зависимости от конструктивных исполнений. В частности, рассмотрены отличия двухполюсного и трехполюсного коллекторных двигателей.

Ремонт электродвигателей переменного
и постоянного тока

Если сравнивать агрегаты на постоянном и переменном токе, то второй тип двигателей менее сложен, однако это не значит, что мероприятия с ним могут выполняться своими силами. Основная сложность чаще всего связана с последовательностью ремонта, который должен выглядеть следующим образом:

  • Разборка электрического двигателя;
  • Извлечение обгорелых фрагментов обмотки;
  • Намотка новых секций;
  • Укладка секций в статорные пазы (требует использования особых изоляционных материалов);
  • Пропитка намотанного статора специальным составом;
  • Сушка электродвигателя;
  • Сборка агрегата (при необходимости включает замену подшипников).

Мы занимаемся ремонтом электродвигателей постоянного тока на профессиональном уровне.

Ремонт электродвигателей переменного тока

Основные работы, которые подразумевает ремонт электродвигателей переменного тока, следующие:

  • Диагностика состояния электродвигателя;
  • Восстановление фазных роторов с заменой обмотки;
  • Ремонт статора с заменой обмотки;
  • Восстановление или изготовление новой обмотки ротора и статора из нового провода;
  • Вакуумная пропитка кремнеорганическим лаком КО – 916;
  • Замена сваренных или паяных обмоток ротора;
  • Ремонт подшипникового узла, восстановление посадочных мест;
  • Испытание отремонтированного оборудования.

В нашей компании доступен также ремонт роторов с дефектами (забоины, риски, заусенцы, износ узловых деталей и др.)

Ремонт электродвигателей постоянного тока

Электрический двигатель постоянного тока – это сложный прибор, который преобразует энергию постоянного электрического тока в механическую энергию (при этом дополнительно происходит выделение тепла). Современные электродвигатели считаются очень надёжными и долговечными, однако даже в этом случае никто не застрахован от поломок и неисправностей, возникающих в процессе их эксплуатации.

Наша компания занимается ремонтом электродвигателей постоянного тока на профессиональном уровне. Специалисты выполняют различные виды ремонтов, включающих в себя:

  • Демонтаж основных или добавочных полюсов магнитной системы;
  • Замену подшипников скольжения и качения;
  • Демонтаж якорной обмотки;
  • Удаление изоляции корпуса магнитной системы;
  • Изолирование корпусной и витковой изоляции;
  • Высоковольтные испытания секций;
  • Пайку обмотки якоря, (возможна пайки аргоном);
  • Шлифовку и проточку коллектора;
  • Испытание двигателя повышенным напряжением;
  • Ремонт корпуса и др.

В 2010 году введено в эксплуатацию современное технологичное оборудование: ЭЛСИТ-60П3 ООО “ЭЛСИТ” г. Томск, высокочастотная установка для соединения петушков коллектора с выводами якорных катушек способом индукционного нагрева.

Что такое статор двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока

Многие великие открытия не выходят в массы по причине того, что нет применения этому открытию. Поэтому и стали вручать награды в области теоретического обоснования. Но даже в позапрошлом веке, если не было материальной выгоды от изобретения или открытия, то его забывали и приходилось открывать или изобретать его вновь. С начала открытия электричества все ломали голову над полезностью открытия и в итоге придумали электрический двигатель. Именно двигатель сделал электричество самым популярным видом энергии.

Электрические двигатели постоянного тока все еще применимы в производстве и сельском хозяйстве. Хотя на мой взгляд их применение обходится дороже, чем использование переменных двигателей. Постоянные двигатели используют из-за очень простой схемы регулирования оборотов, но из-за использования щеток эти двигатели ненадежны в условиях повышенной влажности и грязи.

Двигатели постоянного тока бывают всех размеров. В детских игрушках используются только двигатели постоянного тока, ведь батарейки с переменным током пока не изобрели.

У всех двигателей постоянного тока есть щетки, которые подводят ток к якорю — вращающейся детали двигателя. Обычно щетки прикрыты быстросъемной круглой пластиной — кожухом, для быстрого осмотра и замены щеток.

Небольшие двигатели снабжаются небольшими щетками, расположенными соосно. Количество групп щеток — две. Якорь имеет обмотку, концы которой выведены на коллектор. Коллектор это медные пластинки в хвосте якоря к которым прижимаются щетки. Через эти пластинки — ламели щетки передают ток на обмотки двигателя. Статор в маломощных двигателях сделан из магнита. Постоянный магнит имеет постоянное магнитное поле. При подсоединении якоря к источнику напряжения, ток протекает по обмоткам якоря, создавая магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным полем магнитов, в результате чего якорь поворачивается на небольшой угол чтобы линии магнитных полей совпали, но в результате поворота смещаются и ламели относительно щеток, магнитное поле якоря изменяет свое направление и якорь вновь поворачивается. Так работают все двигатели постоянного тока. Для осуществления сдвига якоря, количество ламелей должно быть нечетным. Хотя встречаются двигатели и с четным количеством ламелей (топливный электрический насос бензиновых двигателей). Здесь исключение только подтверждает правило.

Большие двигатели постоянного тока рассчитаны на большие нагрузки, а следовательно и потребляют больше тока. Чем больше двигатель по размерам, тем больший у него момент и сила.

На боку двигателя видны болты — два вряд. Этими болтами прикручиваются башмаки. Большим двигателям нужно большое магнитное поле статора, которое нельзя создать постоянными магнитами. В результате магниты статора — электрические. Они выполняются как обмотки на магнитопроводе. Магнитопровод и есть башмак у постоянного двигателя.

Статор представляет собой кусок трубы в который прикручены башмаки. Башмаки прижимают обмотки к корпусу и не дают им вибрировать. Обмотки надежно изолированы от корпуса при помощи пропитки и хлопчатобумажной ленты. В мощных двигателях применяются четыре башмаки, а встречаются системы и с двумя. Башмаки соединяются последовательно. Но здесь есть один нюанс. Если все обмотки соединить последовательно с намоткой в одну сторону, то не получится большой магнит. Поэтому первый башмак наматывают в одну сторону, а второй — в противоположную (либо соединяют обмотки встречно на втором башмаке), затем третий башмак опять правильно, как первый, а четвертый — встречно, как третий. Получается, что обмотки статора соединяются последовательно и наматываются прямо — встречно — прямо — встречно. Получается, что каждые две обмотки напротив друг друга намотаны в одну сторону. Это очень напоминает магнит, что «плюс» всегда примагничивается к «минусу». Если представить, что прямые катушки это плюсы, а встречные — минусы, то в статоре идет постоянная чередовка: плюс — минус — плюс — минус — . Цель магнита статора — создать постоянное электромагнитное поле в котором якорь из-за магнитных полей постоянно будет смещаться вдоль магнитных линий.

Щетки располагаются в механизмах — щеткодержателях. В мощных двигателях щеточных групп четыре и они расположены попарно соосно. Все щеткодержатели крепятся к траверсе — подвижному механизму. Траверса нужна для выставления точки покоя двигателя. Известно, что в системе с двумя группами щеток для изменения направления вращения достаточно повернуть обе группы на четверть круга — 90 градусов. При повороте на другой угол двигатель не будет развивать достаточной мощности, а искрение на щетках будет даже на холостых оборотах. Короче, перед разборкой двигателя необходимо пометить установку траверсы. Короче, установка расположения щеточных групп — не просто так.

Для уменьшения нагрузки на щетки, в одной группе может находится несколько щеток — в данном случае две. Щетки сверху прижимаются пружинами для уменьшения сопротивления перехода щетка- ламель.

Якорь двигателя постоянного тока содержит обмотки, которые выведены на ламели.

Почему за двигателями постоянного тока закрепилась репутация ненадежных машин?

Если не вдаваться в подробности слишком глубоко, то представление об электродвигателях постоянного тока у большинства пользователей примерно следующее: это сложные и «капризные» машины, нуждающиеся в постоянном обслуживании и систематическом ремонте.

Тем не менее, двигатель переменного тока представляется простым и практически безотказным устройством, благодаря чему он и приобрел такую популярность в быту и промышленности.

Конечно, эти представления очень субъективны, но для их возникновения, конечно были свои причины. И причины эти кроются в конструктивных различиях между двигателями постоянного и переменного тока.

Если мы говорим о двигателе переменного тока, не уточняя его конструкцию, то, скорее всего, мы имеем в виду асинхронный, с короткозамкнутым ротором. Синхронные, коллекторные машины переменного тока, асинхронные с фазным ротором.

Все они имеют свои особенности, но сфера их применения узка и специфична, и по своей массовости они очень сильно уступают «асинхроннику» с короткозамкнутым ротором, являющемуся, к слову, первой электрической машиной, изобретенной человеком.

А если речь идет о рядовом двигателе постоянного тока, то чаще всего подразумевается коллекторный со щеточной траверсой. Схема его возбуждения может быть различной, но это оказывает влияние лишь на электромеханическую характеристику, а не на эксплуатационные показатели. В любом случае коллекторные двигатели наиболее распространены в приводах постоянного тока.

Итак, сравнивая машины переменного и постоянного тока, мы в большинстве случаев сравниваем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором и электрическую машину с коллекторно-щеточным аппаратом.

И почему же «асинхронник» в этой ситуации смог заработать себе такую безупречную репутацию надежной машины? Все дело в разности направлений силовых векторов магнитных полей статора и ротора (для коллекторного двигателя – якоря). В асинхронном двигателе поле статора – вращающееся.

Направление его векторов циклически изменяется в каждой точке за счет сдвига между фазами. Этого уже достаточно, чтобы это поле могло увлечь за собой ротор и привести его во вращение, взаимодействуя с наведенным в нем электрическим током.

Таким образом, получается, что конструкция асинхронного двигателя чрезвычайно проста: в пазах статора укладывается его трехфазная обмотка, подключаемая к сети с переменным напряжением, а ротор содержит какое-то количество замкнутых проводящих контуров для создания и поддержания тока.

Есть, конечно, определенные тонкости, к примеру, токи Фуко, из-за которых сердечник статора асинхронного электромотора должен выполняться из шихтованной стали, но это уже не существенно. И неспроста уже упоминавшийся первый асинхронный двигатель переменного тока являл собой всего лишь стальной шарик, вращающийся в переменном электромагнитном поле.

В отличие от статора асинхронного двигателя, обмотка возбуждения коллекторной электрической машины постоянного тока не может создать вращающего поля. Поле, создаваемое этой обмоткой, «стоит на месте».

На месте стояло бы и поле, создаваемое током якоря, и тогда якорь повернулся бы лишь на небольшой угол до состояния равновесия между полями возбуждения и собственным магнитным полем. Но этого не происходит, потому что во время этого небольшого поворота смещается пара щеток на коллекторе якоря и его ток меняет направление, заставляя якорь вращаться дальше.

Говоря по-другому, ток якоря насильственно делается переменным. И для этого необходимо сложное устройство – коллекторно-щеточный аппарат, который и является причиной «капризности» коллекторных двигателей.

Его щетки быстро изнашиваются, их надо менять, коллекторные пластины постепенно стачиваются, ограничивая ресурс двигателя. К тому же коллекторно-щеточный аппарат боится влаги, инея. Его щетки могут «зависнуть», потерять контакт с коллектором.

Все эти проблемы несколько «подпортили» репутацию коллекторных двигателей, а вслед за этим – и репутацию машин постоянного тока в сравнении с электродвигателями тока переменного.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector