Двигатель прямого тока: Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока

 

Электродвигатели постоянно присутствуют в нашей жизни. Они встречаются во многих устройствах, таких как: электрические зубные щетки, фены, миксеры, лифты и т.д. Как же работает это полезное устройство? Двигатели постоянного тока выпускаются в таком количестве версий и размеров, что действительно трудно найти место, где мы их не встретим. Это, прежде всего, все такие типы приводов, которые не требуют точного определения положения вала двигателя.

Принцип работы и устройство двигателя постоянного тока

Разберем принцип работы и устройство промышленного двигателя постоянного тока. Давайте начнем с простейшего электродвигателя постоянного тока выглядит он так, статор обеспечивает постоянное магнитное поле, а якорь являющийся вращающийся частью,  представляет собой простую катушку, якорь подключается к источнику постоянного тока через пару коллекторных колец.  Когда ток течет через катушку, в ней находится электромагнитная сила и в соответствии с законом Лоренца, катушка начинает вращаться. Вы можете заметить, что при вращении катушки, коллекторные кольца соединяются с источником питания противоположной полярности, в результате на левой стороне катушки всегда наблюдается движение  электричество от нас а на правой на нас,  это обеспечивает постоянное однонаправленное движение крутящего момента, поэтому катушка будет продолжать вращаться. Но если внимательно понаблюдать за вращением катушки то можно заметить, что вращение  останавливается, когда катушка расположена почти перпендикулярно магнитному потоку, поэтому у такого двигателя постоянного тока движение ротора будет неравномерным. Есть один прием помогающий решить эту проблему нужно добавить еще один контур обмотки к ротору с отдельной коллекторной парой для него, при такой схеме, в момент когда первый контур находится в вертикальном положении, второй контур подключается к источнику питания. Таким образом, движущая сила всегда присутствует в системе. Более того, чем больше таких контуров, тем более плавным будет вращении двигателя. На практике,  контуры обмотки якоря двигателя помещаются в пазах высоко проводимых  слоев стали, это позволяет улучшить взаимодействие магнитных потоков.

Пружинные коллекторные щетки помогают поддерживать контакт с  источником питания. Полюс статора из постоянного магнита используется только в очень маленьких двигателях постоянного тока, чаще всего используется электромагнит. Поле катушки электромагнита питается от того же источника постоянного тока. Индукторные катушки могут соединяться с роторной обмоткой двумя разными способами, параллельно или последовательно.  В результате получаются две разные конструкции двигателя постоянного тока: двигатель параллельного и  последовательного возбуждения.  Двигатель последовательного возбуждения имеет хороший пусковой момент, но его скорость резко падает с увеличением  нагрузки; двигатель параллельного возбуждения имеет низкий пусковой момент, но он способен работать практически с постоянной скоростью, независимо от нагрузки на двигатель.

В отличии от других электрических машин, двигатели  постоянного тока обладают уникальным свойством: генерирование обратной ЭДС (электродвижущей силы). Вращающийся контур в магнитном поле создает ЭДС, в соответствии с принципом электромагнитной индукции, тоже происходит в случае с вращающимся контуром обмотки якоря: индуцируется  внутренняя ЭДС, которая противодействует прилагаемому входному напряжению. Обратная ЭДС пропорциональна частоте вращения ротора, при запуске двигателя обратная ЭДС слишком мало поэтому ток в обмотке якоря становятся слишком высоким что приводит к выгоранию ротора, поэтому для больших двигателей постоянного тока>необходим соответствующий пусковой механизм, который регулируют прилагаемое входное напряжение.

Электродвигатели постоянного тока в наличии и под заказ, звоните!

 

Как работает двигатель постоянного тока ?

Дорогие мои читатели, начинаем разбирать темы августовского стола заказов (боже мой, как быстро летит время!). Сегодняшняя тема может быть мало кого заинтересует, зато если кого заинтересует, так это будет очень в пользу им. Слушаем trudnopisaka: Напишите пожалуйста понятно о устройстве электродвигателей постоянного тока. Можно на  примере одного из типов. Ведь с одной стороны принцип работы очень простой, а с другой,  если разобрать один из электродвигателей, то там много деталей, назначение которых не  очевидно. А на сайтах в начале поисковой выдачи есть только название этих деталей, в лучшем  случае. Планирую с детьми собрать простой электродвигатель, чтобы это помогло им в понимании  техники и они не боялись ее осваивать.

Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.

Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. 13 сентября 1838 г. лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения со скоростью около 3 км/ч. Лодка была снабжена колесами с лопастями. Колеса приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 гальванических элементов. Так впервые электрический двигатель появился на судне.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

  • расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
  • электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
  • этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.

 

 

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта).

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

 

 

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

 

 

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

 

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором.

 

 

Индуктор (статор) электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах — специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

 

 

 

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянноготока.

 

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусомэлектродвигателя.

 

 

Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка дегтя во всей этой вкусняшке — коллектор.

Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.

Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины.

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса.

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

 

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось.

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки с большой частотой 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 надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов. 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 «круговой огонь». 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. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.Конструкция двигателя может иметь один или несколько щеточно-коллекторных узлов.

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.

А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку — гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.

И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история. ВОТ ТУТ можно прочитать про него подробнее.

 

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.

А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.

 

 

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т. к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

В настоящее время двигатели постоянного тока независимого возбуждения, управляемые тиристорными преобразователями, используются в промышленных электроприводах.’Эти при­воды обеспечивают регулирование скорости в широком диапазо­не. Регулирование скорости вниз от номинальной осуществляется изменением напряжения на якоре, а вверх — ослаблением потока возбуждения. Ограничения, по мощности и скорости обусловлены свойствами используемых двигателей, а не полупроводниковых приборов. Тиристоры могут соединяться последовательно или па­раллельно, если они имеют недостаточно высокий. класс по напря­жению или току. Ток якоря и момент ограничены перегрузочной способностью двигателя по нагреву.

Принцип работы:

 

 

 

 

Сборка двигателя постоянного тока ПО ДЕТАЛЯМ:

 

 

 

 

Для любопытных могу еще подробно рассказать про Миф о торсионном генераторе или например что такое Золотое сечение и симметрия. Ну и совсем для жаждущих — подробно про  Термоядерный реактор ITER.

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия — http://infoglaz.ru/?p=32677

Tags: Наука, Стол заказов, Технологии

Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока

Далее: Примеры работы
Вверх: Магнитная индукция
Предыдущий: Двигатель переменного тока

В установившемся режиме двигатель переменного тока всегда
вращается с частотой чередования его источника питания.
Таким образом, двигатель переменного тока, работающий от бытовой сети, вращается с частотой 60 Гц в
США и Канаде, а также на частоте 50 Гц в Европе и Азии. Предположим, однако, что
нам нужна переменная скорость электродвигатель. Мы всегда могли использовать
двигатель переменного тока, приводимый в действие источником переменного тока переменной частоты, но такая мощность
расходные материалы очень дорогие. Гораздо дешевле
альтернативой является использование двигателя постоянного тока, приводимого в действие источником постоянного тока. Позволь нам
исследовать двигатели постоянного тока.

Двигатель постоянного тока состоит из тех же основных элементов, что и электрический генератор постоянного тока:
т. е. , многовитковая катушка, которая может свободно вращаться в постоянном магнитном поле.
поле. Кроме того, вращающаяся катушка подключена к внешней цепи.
точно так же, как в генераторе постоянного тока: т.е. , через разрезное кольцо
коммутатор, который меняет полярность катушки по отношению к
внешней цепи всякий раз, когда катушка проходит через плоскость, перпендикулярную
к направлению магнитного поля. Предположим, что
внешний источник постоянного напряжения
(, например, , батарея или генератор постоянного тока) ЭДС подключена к двигателю.
Источник напряжения пропускает постоянный ток вокруг внешнего
цепи и через двигатель. Когда ток течет по катушке,
магнитное поле действует на катушку, заставляя ее вращаться.
Предположим, что двигатель в конце концов достигает установившегося режима вращения
частота . Вращающаяся катушка создает противо-ЭДС,
величина прямо пропорциональна частоте вращения [см. (222)].

Рис. 44:
Принципиальная схема двигателя постоянного тока, подключенного к внешнему
Источник ЭДС постоянного тока.

На рис. 44 показана рассматриваемая схема. Мотор смоделирован
как резистор, который представляет собой внутреннее сопротивление
двигатель последовательно с противо-ЭДС. Конечно, обратная ЭДС
действует в направлении, противоположном внешней ЭДС. Применение Ома
закон вокруг цепи дает

(228)



который дает

(229)



Скорость, с которой двигатель совершает механическую работу, равна

(230)


Предположим, что двигатель постоянного тока подвергается небольшой внешней нагрузке, так что только
должен выполнять механическую работу с относительно низкой скоростью. В таком случае,
двигатель будет раскручиваться до тех пор, пока его противо-ЭДС не станет немного меньше
больше, чем внешняя ЭДС, так что через
двигатель [согласно уравнению (229)] и, следовательно, механическое
выходная мощность двигателя
является относительно низким [согласно уравнению (230)]. Если нагрузка на двигатель
увеличивается, то двигатель будет замедляться, так что его
обратная ЭДС уменьшается, ток, протекающий через двигатель, увеличивается, и,
следовательно, выходная механическая мощность двигателя увеличивается до тех пор, пока
соответствует новой нагрузке. Обратите внимание, что текущий поток
через двигатель постоянного тока обычно ограничивается противо-ЭДС, а не
внутреннее сопротивление двигателя. На самом деле обычные двигатели постоянного тока сконструированы
в предположении, что обратная ЭДС всегда будет ограничивать ток, протекающий через
двигателя до относительно небольшого значения. Если мотор заклинит, так что катушка остановится
вращается и противо-ЭДС падает до нуля, то ток, который
потоки через двигатель, как правило, настолько велики, что могут сжечь двигатель.
если позволить течь в течение любого заметного промежутка времени. По этой причине,
мощность электродвигателя
всегда следует немедленно отключать, если двигатель заедает. Когда двигатель постоянного тока
запускается, катушка сначала не вращается достаточно быстро, чтобы
генерировать значительную обратную ЭДС. Таким образом, существует короткий период времени,
сразу после включения двигателя, при котором двигатель потребляет относительно
большой ток от его источника питания. Это объясняет, почему свет
в доме иногда
тусклый кратковременно, когда большой двигатель, например,
включается двигатель кондиционера.

Предположим, что двигатель постоянного тока подвергается постоянной, но относительно небольшой нагрузке.
Как упоминалось выше, двигатель будет раскручиваться до тех пор, пока его противо-ЭДС почти
соответствует внешней ЭДС. Если внешняя ЭДС увеличивается, то двигатель
будет раскручиваться дальше, пока его противо-ЭДС не совпадет с новой внешней
э.д.с. Точно так же, если внешняя ЭДС уменьшается, двигатель будет вращаться.
Видно, что
скорость вращения двигателя постоянного тока регулируется
ЭДС источника постоянного тока, к которому подключен двигатель. Чем выше ЭДС, тем
выше скорость вращения.
Таким образом, относительно легко изменять скорость двигателя постоянного тока, в отличие от
Двигатель переменного тока, который по существу является двигателем с фиксированной скоростью.


Далее: Примеры работы
Вверх: Магнитная индукция
Предыдущий: Двигатель переменного тока

Ричард Фицпатрик
2007-07-14

Объяснение урока: Двигатели постоянного тока

В этом объяснении мы научимся описывать использование коммутатора для создания равномерного кругового движения на выходе источника постоянного тока.

Двигатель постоянного тока представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию в кинетическую. Он делает это, используя принцип электромагнитной индукции. Мы рассмотрим конструкцию двигателя постоянного тока и посмотрим, как он работает.

Начнем с того, как устроен двигатель постоянного тока. Базовая конструкция показана на схеме ниже.

Устройство называется двигателем постоянного тока, поскольку оно работает от источника постоянного тока. Источник постоянного тока, такой как батарея, — это источник тока, который всегда
посылает ток в том же направлении.

Источник постоянного тока соединен проводами с двумя щетками. Провода и щетки показаны на схеме синим цветом. Эти щетки изогнуты, чтобы помочь поддерживать
электрический контакт с коммутатором, который находится между двумя щетками.

Коммутатор показан на схеме оранжевым цветом. Коммутаторы обычно выглядят как круг или сплошное кольцо, разделенное на две половины. Они сделаны из
металла, поэтому они проводят электричество. Однако зазор между двумя половинками означает, что они электрически отделены друг от друга, т. е.
заряды не могут течь напрямую из одной половины коммутатора в другую.

Каждая половина коммутатора подключена к одному концу петли провода. Эта проволочная петля, показанная на схеме розовым цветом, называется катушкой. Это иногда также
называют арматурой. Петля из проволоки нарисована так, что она ориентирована в горизонтальной плоскости. Однако он способен вращаться вместе с коммутатором,
вокруг оси, проходящей через его центр. Эта ось показана на диаграмме пунктирной серой линией.

Вокруг якоря есть постоянный магнит. На схеме это показано серым цветом. Этот магнит часто называют статором. Название выбрано, чтобы подчеркнуть
тот факт, что эта часть двигателя остается неподвижной, в отличие от вращающейся катушки.

Коллектор и щетки показаны крупным планом на схеме ниже. Проиллюстрированы две разные конструкции коммутатора: коммутатор может быть изготовлен из любого
две половинки D-образной формы, как на левой диаграмме, или две половины разрезного кольца, как на правой диаграмме. Эти диаграммы показаны «сзади»
коммутатора по сравнению с предыдущей схемой. Важно отметить, что каждый конец токопроводящего контура провода подключен к одной половине коммутатора. При вращении коммутатора и проволочной петли концы проволоки остаются прикрепленными к половинам коммутатора.

Сначала мы нарисовали схему двигателя постоянного тока, на которой все его части были выделены разными цветами. Однако теперь, когда мы определили
различные компоненты, возможно, более полезно изобразить его следующим образом.

В этой второй версии диаграммы мы использовали серый цвет для всех частей двигателя, которые остаются неподвижными, и мы использовали оранжевый цвет для всех частей.
двигателя, который может вращаться.

Рассмотрим путь, по которому следует ток. Это показано на диаграмме ниже, где катушка ориентирована горизонтально.

Вспомним, что обычный ток идет от плюса к минусу. Это означает, что у нас есть ток, идущий от положительной клеммы.

Зазор между двумя половинками коммутатора блокирует направление тока непосредственно на отрицательную клемму. Однако, поскольку каждый конец катушки
подключен к одной половине коммутатора, вместо этого ток проходит через катушку. Ток следует по петле, образованной катушкой, пока не достигнет другой половины
коммутатора.

Эта вторая половина коллектора контактирует со щеткой, соединенной с отрицательной клеммой. Это дает току путь, по которому он должен следовать, чтобы достичь отрицательного
терминал, тем самым замыкая цепь.

Теперь давайте подумаем, что на самом деле делает этот ток, чтобы заставить это устройство работать как двигатель.

Основной принцип, лежащий в основе работы двигателя постоянного тока, заключается в том, что электрический заряд, движущийся в магнитном поле, испытывает силу.

В данном конкретном случае мы рассматриваем протекание зарядов в проводе, другими словами, электрический ток. Имеем провод определенной длины, несущий
ток в присутствии магнитного поля. Поскольку провод содержит движущиеся заряды, мы знаем, что на него будет действовать сила.

Уравнение: сила, действующая на провод с током в магнитном поле

Рассмотрим провод длиной 𝐿, по которому течет ток величиной 𝐼 в присутствии магнитного поля 𝐵.

Если направление провода перпендикулярно направлению магнитного поля, то величина силы, действующей на провод, определяется выражением
𝐹=𝐵𝐼𝐿.

Направление силы перпендикулярно как току в проводе, так и магнитному полю и может быть найдено с помощью правила левой руки.

Сила на провод действует перпендикулярно направлению тока в проводе и направлению магнитного поля. Итак, давайте посмотрим на направления
тока и магнитного поля.

Направление магнитного поля указано на схеме выше. Мы знаем, что магнитное поле между двумя полюсами магнита идет от северного полюса
к южному полюсу; в нашем случае это слева направо на экране.

Также указано направление тока в обеих частях катушки, перпендикулярных магнитному полю. Мы можем вспомнить, что только ток, который
перпендикулярно полю, возникнет сила. С левой стороны катушки этот ток направлен на экран. С правой стороны текущий
направлен за пределы экрана к нам.

Давайте сосредоточимся на левой стороне катушки. Здесь ток направлен на экран. Магнитное поле направлено слева направо. Мы знаем это
сила должна быть перпендикулярна обеим этим величинам, но остается два варианта: вверх или вниз.

Чтобы выяснить, в каком из этих направлений указывает сила, мы можем использовать правило левой руки Флеминга.

Правило: правило левой руки Флеминга

Правило левой руки Флеминга позволяет найти направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, при условии, что поле
и направления тока перпендикулярны.

Правило визуально показано на диаграмме выше. Это работает следующим образом:

  • Левой рукой мы указываем первым, или указательным, пальцем по направлению магнитного поля.
  • Затем мы указываем вторым пальцем под углом 90° к первому вдоль направления тока.
  • Большой палец, под углом 90° к обоим пальцам, указывает направление силы, действующей на провод.

Давайте применим это правило левой руки к катушке провода в нашем двигателе.

Мы начнем с рассмотрения левой стороны нашего мотка проволоки. Здесь ток направлен от нас. Магнитное поле направлено вправо. Применяя правило левой руки, мы указываем нашим первым пальцем вдоль направления поля, а вторым пальцем — вдоль текущего направления. Это показано на диаграмме ниже.

Мы обнаруживаем, что наш большой палец направлен вниз. Это говорит нам о том, что сила, действующая на левую сторону катушки, направлена ​​вниз.

Мы можем применить тот же процесс к правой стороне катушки. В этом случае направление поля по-прежнему правое, но ток теперь направлен на нас. Можно легко проверить, используя правило левой руки (и полезно попробовать это сделать), что сила на этой правой стороне катушки действует вертикально вверх.

Итак, силы, действующие на эти две стороны катушки, показаны на диаграмме ниже. На этой диаграмме мы показали вид сверху вниз слева, в котором текущий
указано направление. Справа мы показали вид сбоку, на котором указаны силы. На этой диаграмме сбоку мы также указали текущий
направление с помощью символов ⊗ (в экран) и ⊙ (вне экрана).

Здесь стоит повторить, что на две другие стороны катушки сила не действует. Причина этого в том, что ток в этих сторонах
течет либо параллельно, либо антипараллельно направлению магнитного поля.

Давайте рассмотрим пример, который поможет нам познакомиться с двигателями постоянного тока и попрактиковаться в использовании правила левой руки.

Пример 1. Определение направления тока в обмотке двигателя постоянного тока

На схеме показан двигатель постоянного тока. Показанные розовые стрелки представляют силы, действующие на катушку. Какой из терминалов
𝑎 или 𝑏 это плюс двигателя?

Ответ

Вопрос заключается в том, чтобы найти, какой из двух терминалов, помеченных 𝑎 и 𝑏, является положительным. Чтобы сделать это,
нам нужно определить направление тока, так как мы знаем, что обычный ток направлен от положительного к отрицательному.

Нам дано направление силы на левой и правой сторонах катушки. Мы также знаем, что магнитное поле направлено от северного полюса.
к южному полюсу постоянного магнита; это слева направо.

Теперь мы можем обратиться к нашему правилу левой руки. Будем рассматривать левую сторону катушки. В этом случае мы знаем направление магнитного поля
(вдоль которого мы указываем указательным или указательным пальцем) — вправо, а направление силы (вдоль которого мы указываем большим пальцем) — вверх.

Мы обнаруживаем, что наш второй палец, который указывает текущее направление, указывает на нас. Это означает, что ток в левой части провода
направлен к нам, за пределы экрана.

Поскольку направление тока не может просто измениться частично в цепи, мы можем видеть, что ток должен следовать по этому пути в двигателе:

Затем, поскольку ток направлен от положительного к отрицательному, мы видим, что ответ на вопрос в том, что положительная клемма 𝑏.

В самом начале этого объяснения мы сказали, что катушка может вращаться (вместе с коммутатором). Теперь мы видели, что комбинация текущего
в катушке, а магнитное поле от статора (магнитов вокруг катушки) приводит к возникновению сил, действующих на две стороны катушки.

Оказывается, именно эта сила вызывает вращение катушки. Точнее, крутящий момент, возникающий от этой силы, вызывает вращение.

Крутящий момент, возникающий в результате действия силы, определяется как произведение величины этой силы и расстояния по перпендикуляру к линии действия силы
от оси вращения. Другими словами, всякий раз, когда у нас есть сила, действующая на объект на некотором перпендикулярном расстоянии от оси, вокруг которой
объект может вращаться, будет крутящий момент.

На приведенной ниже схеме мы можем видеть ось, вокруг которой способна вращаться катушка, то есть ось вращения. Мы также можем видеть, что две силы не действуют
вдоль этой оси, а на некотором расстоянии от нее.

Расстояние сил от оси выделено на диаграмме двумя черными пунктирными стрелками. Поскольку силы не вдоль оси, они действительно будут
в результате возникает крутящий момент на катушке.

В этом случае левая сила действует вниз, а правая сила действует вверх. Итак, как и следовало ожидать, крутящий момент заставляет катушку (вместе с
коммутатор) вращаться в направлении, показанном на схеме, то есть против часовой стрелки от того направления, в котором мы на него смотрим.

Весь наш анализ до сих пор проводился, когда катушка находится в горизонтальной плоскости. Однако мы только что показали, что силы, действующие на катушку в этой точке, создают
крутящий момент, который заставляет его вращаться. Это означает, что нам также необходимо учитывать, что происходит, когда катушка поворачивается на другие углы.

Рассмотрим случай, когда катушка повернулась на некоторую величину меньше 90∘ относительно начальной
горизонтальное положение мы рассмотрели. Это показано на диаграмме ниже.

Из диаграммы видно, что коммутатор вращался вместе с катушкой, но каждая из двух половин коммутатора все еще находится в электрическом состоянии.
контакт одной и той же кистью. Для ясности мы обозначили половины коммутатора 1 и 2. Тогда мы можем сказать, что в этот момент половина коммутатора 1 все еще находится в контакте.
с положительной клеммой, а половина коммутатора 2 все еще находится в контакте с отрицательной клеммой.

Это означает, что электрический заряд по-прежнему движется по цепи так же, как и раньше, когда катушка была горизонтальной. ток имеет такое же направление
в левой и правой частях катушки, как это было раньше.

Поскольку направления тока остаются прежними и направление магнитного поля также не изменилось, это означает, что силы, действующие на каждой стороне катушки
находятся в том же направлении, что и прежде. То есть сила с левой стороны действует вниз, а сила с правой стороны действует вверх.

Как и прежде, эти силы не действуют на линию, проходящую через центр вращения катушки. Это означает, что они действуют для создания крутящего момента. Однако мы можем видеть из
на диаграмме выше видно, что перпендикулярное расстояние этих сил от оси вращения меньше, чем когда катушка была горизонтальной. Поскольку эти силы действуют
ближе к оси вращения, чем они были ранее, величина создаваемого ими крутящего момента уменьшилась.

По мере того, как катушка отклоняется от горизонтального положения и приближается к вертикальному положению на 90∘,
величина крутящего момента на этой катушке становится все меньше и меньше по мере уменьшения расстояния сил от оси вращения.

Теперь рассмотрим, что происходит при вертикальном положении катушки, показанном на диаграмме ниже.

Из схемы видно, что любые силы, действующие на стороны катушки в этом положении, будут действовать вдоль оси вращения. Следовательно, крутящий момент не будет
производимые этими силами. Другими словами, когда катушка ориентирована вертикально, на нее не действует чистый крутящий момент. Единственное, что заставляет катушку вращаться
в этот момент он имеет некоторую инерцию вращения; поскольку катушка уже двигалась против часовой стрелки, она будет продолжать это делать, если не будет сопротивления.

На этой диаграмме важно отметить еще кое-что: положение коммутатора. До этого момента половина коммутатора с номером 1
всегда находился в электрическом контакте со щеткой, подключенной к плюсовой клемме. Точно так же половина коллектора 2 всегда находилась в контакте со щеткой.
подключен к минусовой клемме. Это вертикальное положение катушки представляет собой точку переключения. Когда катушка вращается дальше этой точки, половина коммутатора 1 будет
соприкасается с отрицательной клеммой, а половина коммутатора 2 будет соприкасаться с положительной клеммой.

Рассмотрим, что происходит с током в катушке после поворота вокруг вертикали. Заряды теперь текут от положительной клеммы к половине коммутатора 2. Они проходят через катушку, пока не достигают половины коммутатора 1. Затем они проходят через правую щетку к отрицательной клемме. Это показано в правой половине
диаграммы ниже.

В левой половине диаграммы показана катушка до того, как она повернется за вертикаль. Для наглядности мы обозначили стороны катушки 1 и 2 в соответствии с
половина коммутатора, к которой подключен каждый.

Мы видим, что когда катушка проходит вертикальную ориентацию, направление тока в самой катушке меняется. Прежде чем пройти через вертикаль,
ток со стороны 1 был направлен от нас (в экран), а ток со стороны 2 был направлен к нам (за пределы экрана). Теперь, после прохождения
по вертикали ток со стороны 1 направлен к нам, а ток со стороны 2 направлен от нас.

Однако направление тока в схеме вне катушки остается неизменным. Ток по-прежнему направлен от плюсовой клеммы к левой щетке.
и от правой щетки к минусовой клемме. Именно добавление коммутатора вызывает изменение направления тока в катушке.

Мы видели, что происходит с током в катушке, когда она вращается вокруг вертикали. Теперь давайте также рассмотрим силы, действующие с каждой стороны катушки. Эти силы показаны на диаграмме ниже.

Мы снова показали катушку в двух положениях: до и после поворота катушки за пределы вертикальной ориентации. Помимо указания направления тока
по сторонам катушки в каждом случае мы обозначили силы, действующие с каждой стороны катушки. Направление этих сил можно проверить, применив
правило левой руки.

Перед прохождением вертикального положения (левая диаграмма) сила на стороне 1 была направлена ​​вниз, а сила на стороне 2 была направлена ​​вверх. Ранее,
мы описали это как силу на левой стороне катушки, направленную вниз, и силу на правой стороне, направленную вверх.

Глядя на правую диаграмму, мы видим, что после того, как катушка вращается вокруг вертикали, сила на левой стороне катушки по-прежнему направлена ​​вниз
а сила с правой стороны по-прежнему направлена ​​вверх. Однако сторона 1 теперь является правой стороной, а сторона 2 теперь левой стороной. Потому что направление
ток через катушку изменился, изменилось и направление сил с каждой стороны катушки.

Давайте рассмотрим пример.

Пример 2. Определение положения максимального и минимального крутящего момента в двигателе постоянного тока

На схеме показан двигатель постоянного тока. Катушка двигателя показана одновременно под четырьмя разными углами к магнитному полю двигателя.

  1. В каком положении крутящий момент катушки двигателя максимален?
  2. В каком положении крутящий момент на обмотке двигателя минимальный?

Ответ

Часть 1

На схеме представлены четыре различных угла катушки в двигателе постоянного тока. В положении I катушка расположена горизонтально. В положениях II и IV катушка находится в положении
под углом 45∘ к этой горизонтали. В положении III катушка расположена вертикально.

Мы можем вспомнить, что на две стороны катушки, которые перпендикулярны направлению магнитного поля, действует сила. Это стороны, которые
направленные к нам или от нас (левая и правая стороны, когда катушка ориентирована горизонтально).

Крутящий момент на катушке зависит от величины самой силы, а также от расстояния линии действия этой силы от оси вращения.

Величина силы рассчитывается по формуле 𝐹=𝐵𝐼𝐿, где 𝐵 — напряженность магнитного поля, 𝐼 — сила тока,
𝐿 — длина провода. Поскольку ни одна из этих величин не меняется при вращении катушки, величина силы не изменится. Следовательно, любые изменения крутящего момента будут результатом изменения расстояния линии действия силы от оси вращения катушки.

Когда катушка ориентирована горизонтально, это расстояние максимально. Следовательно, крутящий момент на катушке наибольший, когда катушка ориентирована горизонтально,
как в позиции I.

Часть 2

Крутящий момент будет минимальным для минимального расстояния между линией действия силы и осью вращения катушки.

Это происходит, когда катушка находится в вертикальном положении. В этом случае расстояние от оси до любой из двух сторон катушки, перпендикулярных магнитному
направление поля равно нулю. Таким образом, когда катушка ориентирована вертикально, крутящий момент не только минимален, но фактически равен нулю.

Следовательно, наш ответ заключается в том, что крутящий момент на катушке минимален, когда катушка ориентирована вертикально, как в положении III.

Каждый раз, когда катушка поворачивается в вертикальном направлении, направление тока в катушке меняется. Это означает, что направление сил
на сторонах A и B также будут меняться каждый раз.

В результате сила на стороне катушки слева от вертикали (будь то сторона 1 или 2) всегда будет направлена ​​вниз, а сила
на правой стороне катушки всегда будет направлен вверх.

Это означает, что крутящий момент от этих сил всегда будет вращать катушку в одном и том же направлении. Таким образом, катушка будет продолжать вращаться в том же направлении.

Давайте рассмотрим еще один пример.

Пример 3: определение направления вращения катушки в двигателе постоянного тока

Какая из диаграмм, изображающих двигатель постоянного тока, правильно представляет направление вращения двигателя? Катушка двигателя одновременно
показан под четырьмя разными углами к магнитному полю двигателя.

Ответ

Этот вопрос спрашивает нас, какая из двух диаграмм показывает правильное направление вращения двигателя. Чтобы ответить на этот вопрос, давайте напомним себе
что вызывает это вращение.

Мы можем вспомнить, что вращение вызывается крутящим моментом на катушке и что этот крутящий момент является результатом силы, действующей на токонесущие провода этой катушки.

Рассмотрим упрощенную схему, показывающую только один угол катушки. Мы нарисовали это ниже. Мы можем вспомнить, что из-за того, как коммутатор связывает
щетки к катушке, если мы знаем, в каком направлении крутящий момент заставляет катушку вращаться на какой-то один угол, то мы знаем, что действие этого крутящего момента останется
одинаково для всех углов катушки. Другими словами, катушка будет продолжать вращаться в том же направлении.

Мы можем вспомнить, что направление силы можно найти из направления тока и направления магнитного поля, используя правило левой руки.

На схеме мы указали направление магнитного поля. Это направление вправо, так как магнитное поле между двумя полюсами магнита
идет от северного полюса к южному полюсу.

Поскольку обычный ток направлен от плюса к минусу, мы знаем, что ток в катушке будет направлен так, как показано на схеме.

Рассмотрим левую сторону катушки. Мы видим, что ток направлен от нас, тогда как мы знаем, что магнитное поле направлено
вправо.

Используя правило левой руки, мы указываем нашим первым пальцем вдоль направления поля (вправо), а нашим вторым пальцем вдоль текущего направления
(от нас). Это показано на диаграмме ниже.

Как показано на диаграмме, большой палец направлен вниз. Следовательно, сила на левой стороне катушки действует вниз.

Если мы применим то же правило левой руки к правой стороне катушки, мы обнаружим, что сила на этой стороне действует вверх, так как в этом случае ток
направлен к нам.

Силы показаны на диаграмме ниже.

Поскольку силы толкают левую сторону катушки вниз, а правую сторону вверх, мы видим, что они придадут нам крутящий момент
что заставляет катушку вращаться против часовой стрелки.

Сравнивая диаграммы, данные нам в вопросе, мы видим, что правильное направление вращения, против часовой стрелки, показано на диаграмме B.

Теперь мы рассмотрели все основы работы двигателя постоянного тока. Остается только одна часть: как эта вращающаяся катушка на самом деле работает как двигатель?

Ответ заключается в том, что стержень расположен вдоль оси вращения катушки. Когда катушка вращается, этот стержень также вращается вместе с ней.

Этот вращающийся стержень способен приводить во вращение шестерню или другой механический объект, и этот вращающийся объект может выполнять механическую работу. Таким образом, двигатель постоянного тока
использует электрическую энергию цепи для производства механической работы.

Давайте закончим подведением итогов того, что мы узнали.

Ключевые моменты

  • Двигатель постоянного тока использует электрическую энергию для выполнения механической работы.
  • Двигатель состоит из катушки провода, прикрепленной к коммутатору, который может свободно вращаться в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом («статором»).
  • Две стороны катушки, перпендикулярные магнитному полю («левая» и «правая» стороны, когда катушка расположена горизонтально)
    испытывают силу, которая определяется выражением 𝐹=𝐵𝐼𝐿, где 𝐵 — напряженность магнитного поля, 𝐼 — сила тока
    в проводе, а 𝐿 — длина провода (в данном случае — длина стороны катушки).