Основные элементы коллектора машины постоянного тока

7.9. МИКРОДВИГАТЕЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ДЕТСКОМ ТЕХНИЧЕСКОМ ТВОРЧЕСТВЕ

Разнообразие изделий детского технического творчества не позволяет
остановиться на конкретных решениях.
В структурные композиции любого подвижного объекта почти всегда входит
электродвигатель. Именно он преобразует электрическую энергию в механическое
движение.
Разновидность электропривода модели в первую очередь зависит от источника
питания.
Если модель работает автономно, то, естественно, для нее необходим и
автоном-ный источник питания. Это, как правило, электрохимическая батарейка
или аккумулятор.
При выборе схемы электропривода необходимо лишь согласовать напряжение
электродвигателя с источником питания.
В стационарных установках используется обычная электросеть напряжением
220, 127 В. Для понижения напряжения до безопасного уровня применяются
понижающие трансформаторы и иногда выпрямители переменного тока в постоянный.
Такие приборы могут не входить в конструкцию изделия и являются вспомогательными.
Ниже в табл. 7.9.1 приводится техническая характеристика наиболее применяемых
в техническом творчестве электродвигателей.

Коллекторный двигатель переменного тока

Рассмотрим коллекторный двигатель переменного тока. Универсальные коллекторные электродвигатели могут питаться от источников как переменного, так и постоянного тока. Они часто используются в электроинструментах, швейных и стиральных машинах, мясорубках — там, где нужен реверс, регулировка частоты вращения ротора или его вращение с частотой более 3000 об/мин.

Обмотки статора и ротора коллекторного электродвигателя соединяются последовательно. К обмоткам ротора ток подводится через щетки, соприкасающиеся с пластинами коллектора, к которым подсоединяются концы обмоток ротора.

Реверс однофазного двигателя с коллектором осуществляется за счет изменения полярности включения в сеть обмоток статора или ротора, а скорость вращения можно регулировать, изменяя величину тока в обмотках.

Основные недостатки такого двигателя:

• высокая стоимость;
• сложность устройства, практическая невозможность самостоятельно осуществить его ремонт;
• значительный уровень шума, трудное управление, создание радиопомех.

Остается добавить, что при использовании устройств, содержащих однофазный электродвигатель, следует самое пристальное внимание уделить выбору его типа, схеме подключения, тому, как правильно осуществить расчет элементов. Асинхронный двигатель – принцип работы и устройство

Асинхронный двигатель – принцип работы и устройство

Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Что такое статор и ротор и чем они отличаются

Принцип работы

На провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами.

Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. 

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Mэм = Mв — Mтр — Mс,

(7а)

где Mв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Mс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Mэм = Mв + Mтр + Mс,

(7б)

где Mв – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе Mэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях Mв и Mэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Pэм называется электромагнитной мощностью и равна

Pэм = Pэм × Ω,

(8)

где

Ω = 2 × π × n,

(9)

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение Mэм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

Тогда получим

Pэм = 2 × B × l × Dа × Iа × π × n = 2 × B × l × v × Iа

или на основании выражения (1)

Pэм = Eа × Iа.

(10)

В обмотке якоря под действием э. д. с. Eа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Pа= Eа × Iа.

(11)

Согласно равенствам (10) и (11), Pэм = Pа, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на Iа. Тогда для генератора будем иметь

Uа × Iа = Eа × Iа – Iа2 × rа

(12)

и для двигателя

Uа × Iа = Eа × Iа + Iа2 × rа.

(13)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Приведенные соотношения действительны и при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

7.7. ОДНОЯКОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для преобразования переменного тока в постоянный, как известно, используют
выпрямители. Преобразование постоянного тока в переменный можно осуществить
электромашинными преобразователями. Каскад из двух машин: (асинхронный
двигатель переменного тока и генератор постоянного тока) вполне решают
эту задачу.
Но бывает ситуация, когда необходимо преобразовать постоянный ток низкого
напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Делается это в одной
комбинированной машине, состоящей из двигателя и генератора постоянного
тока с общей магнитной системой. Со стороны низкого напряжения это электродвигатель,
а со стороны повышенного напряжения — генератор постоянного тока с независимым
возбуждением.
В одних и тех же пазах якоря преобразователя заложены самостоятельные
обмотки низкого и повышенного напряжения. Концы обмоток присоединены
к соответствующему коллектору (рис. 7.7.1), причем обмотка повышенного,
напряжения имеет значительно большее число проводников, чем обмотка
низкого напряжения.
Одноякорные преобразователи широко применяются в авиационной технике,
а также в общепромышленных установках, где первичным источником постоянного
тока является аккумулятор.
Одноякорные преобразователи постоянного тока в трехфазный переменный
отличается от рассмотренного тем, что обмотка повышенного напряжения
состоит из

трех секций, смещенных друг от друга на 120°. Выводы секционных обмоток припаяны
к трем контактным кольцам и с помощью токосъемных щеток переменный ток
передается к потребителю.

Работа машины постоянного тока в режиме генератора

§ 110. РАБОТА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, развивающим вращающий момент М1. При перемещении проводников обмотки якоря в магнитном поле полюсов в них ин­дуктируется э.д.с, направление которой определяется правилом правой руки (рис. 142). Если якорь вращается с числом оборотов в минуту п, то в его обмотке индуктируется э. д. с.

Если обмотку якоря через щетки замкнуть на какой-либо при­емник энергии г (сопротивление нагрузки), то через этот приемник и обмотку якоря будет протекать ток Iя, который в обмотке якоря имеет направление, совпадающее с направлением э.д.с. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем полюсов создается электромагнитный момент Мэ, направление которого определяется правилом левой руки.

Таким образом, развиваемый машиной электромагнитный момент является тормозным, направленным встречно направлении вращения якоря машины, так что для вращения последнего первичный двигатель должен развивать вращающий момент М1 достаточный для преодоления электромагнитного тормозного момента,

следовательно, машина потребляет механическую энергию.

В случае равновесия моментов, т. е. М1== Мэ, якорь машины вращается с неизменно скоростью. При нарушении равновесия моментов число оборотов якоря начнет изменяться. Если почему-либо момент первичного двигателя уменьшится, т. е. станет меньше электромагнитного момента генератора (М1 Мэ) число обо­ротов якоря, а также э. д. с. и ток в его обмот­ке будут увеличиваться, что вызывает увеличение тормозного электромагнитного момента.

При нарушении равновесия моментов число оборотов якоря, э.д.с. и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстанов­ления равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.

Таким образом, любое изменение момента первичного двига­теля, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соот­ветствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности. Так же при изменениях на­грузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства числа оборо­тов якоря генератора.

Ток обмотки якоря Iя, протекающий при нагрузке генератора, встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки rн, со­противление обмотки якоря rоб и сопротивление переходных кон­тактов между щетками и коллектором rщ. Обозначив через rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов (rоб+rщ), для тока в якоре можем записать следующее выражение:

Сопротивление rщ непостоянно и зависит от большого числа факторов, как-то: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, скорости вращения, радение напряжения в щеточных контактах остается примерно нанесенным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 в на пару угольных и графитных щеток).

Поэтому внутреннее сопротивление машины rя также не явля­йся величиной постоянной при изменении нагрузки генератора.

Так как Iяrн=U, где (U— напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия э.д.с. лля генератора:

Из уравнения равновесия э.д.с. легко получить уравнение мощ­ностей, т. е.

где Р2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии,

Рэ— внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую,

Роб —потери мощности в обмотке якоря и щеточных контак­тах.

При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна нулю (Рэ=0), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р, расходуемую на покрытие потерь холостого хода. Мощность Р складывается из потерь механических на трение в подшипниках и трение о воз­дух вращающихся частей машины Рмех и из потерь в стали на

гистерезис и вихревые токи Pст.В генераторах с самовозбужде­нием мощность Р включает также мощность, затраченную на со­здание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.

При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность Р1 = Рэ + Ро.

Электромагнитный момент машины

где

— угловая скорость якоря.

то электромагнитный момент машины определится следующим выражением:

Величины а, р

иN постоянны для данной машины, поэтому выражение представляет собой некоторый постоянный для данной машины коэффициент и электромагнитный момент равен:

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

Что представляет собой обмотка якоря двигателя постоянного тока

В последнее время в некоторых системах автоматического регулирования получили широкое распространение малоинерционные электродвигатели постоянного тока с печатной обмоткой якоря.

Рис. II.42. Электродвигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: 1 — диск якоря; 2, 8 — кольца из ферромагнитного материала; 3 — втулка; 4 — печатная обмотка якоря; 5 — щеткодержатель; 6 — постоянные магниты; 7 — полюсные наконечники; 9 — вал

Они используются, например, в устройствах ввода — вывода вычислительных машин, дисковых устройствах памяти, в приводах различных лентопротяжных механизмов. Якорь этих электродвигателей имеет форму диска, на торцовые поверхности которого печатным способом нанесена обмотка якоря. Электродвигатели с печатной обмоткой мощностью до 200 Вт не имеют специального коллектора. На рис. II.42 показана конструкция электродвигателя с печатной обмоткой якоря. В магнитном поле постоянного магнита с торцовыми наконечниками 7 вращается тонкий диск 1 из изоляционного материала. На обе плоскости этого диска нанесена печатным способом однослойная простая обмотка постоянного тока (рис. II.43). Соединение обеих сторон печатной обмотки производится при помощи специальных «гальванических» заклепок.

Рис. II.43. Дисковый якорь с печатной обмоткой: 1 — печатные проводники обмотки; 2 — участки печатного монтажа, соответствующие месту установки щеток; 3 — заклепки

Профиль лобовых частей эффективных проводников обычно выполняется по эвольвенте, что позволяет обеспечить по всей части одинаковую плотность тока.

Кольца

Для увеличения мощности электродвигателя в некоторых конструкциях применяют многодисковое исполнение ротора. В этом случае электродвигатель представляет собой совокупность нескольких машин с печатной обмоткой ротора, собранных в одной магнитной системе. Мощность таких электродвигателей может достигать 20 кВт.

Электромеханическая постоянная времени электродвигателя постоянного тока с якорным управлением при одинаковых напряжениях управления и возбуждения может быть вычислена по формуле

где Т — электромеханическая постоянная времени, с;

Для обеспечения минимальной величины электромеханической постоянной времени электродвигателя с печатной обмоткой диаметр диска должен быть минимальным. Вместе с этим на диске должно размещаться достаточное число проводников обмотки, обеспечивающее требуемые номинальные данные. В связи с этим для получения минимальных размеров диска якоря следует среднюю индукцию в воздушном зазоре выбирать возможно большей :

где

Ф — полезный поток полюса в воздушном зазоре,

где

Максимально возможное число проводников, размещаемое на одной стороне диска, можно определить из следующего соотношения:

где

Практически электромеханическая постоянная времени электродвигателей постоянного тока с печатной обмоткой якоря в 3—5 и более раз меньше электромеханической постоянной времени двухфазного асинхронного электродвигателя с полым ротором той же мощности.

Для электродвигателей мощностью

Помимо высокого быстродействия отличительной особенностью электродвигателей с печатной обмоткой ротора является коммутация, практически не сопровождающаяся искрением. Это объясняется тем, что обмотка якоря обладает незначительной индуктивностью. Поэтому реактивная э. д. с., наводимая в коммутирующих секциях, незначительна по величине.

К недостаткам электродвигателя с печатной обмоткой ротора следует отнести более низкий к. п. д. и ограниченную долговечность вследствие износа контактирующей поверхности проводников обмотки якоря.

n9.doc

Глава 25Обмотки якоря машин постоянного тока§ 25.1. Петлевые обмотки якоряОсновные понятия.секция S; N; элементарный паз. развернутыми,, К — Простая петлевая обмотка якоряа, б первый частичный шаг по якорю , второй частич­ный шаг по якорю и резуль­тирующий шаг по якорю .правоходовой алевоходовой а б вшагом обмотки по коллектору у_к. , Пример 25.1(2 = Решение=1 4. 122,3, 4 12 А и В К/(2) = а). б), в.(б) в., B₂Параллельные ветви обмотки якоря.впараллельными ветвями. ) 1. 23, в.ЭДС обмотки якоря определяется значением ЭДС одной параллельной ветви, тогда как значение тока обмотки определяется суммой токов всех ветвей обмотки:В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу главных полюсов машины: = .Пример 25.2.Решение. = = Сложная петле­вая обмотка., т т = т (т у = у_к = т. Пример 25.3.т — Решениеу у2 = § 25.2. Волновые обмотки якоряПростая волновая обмотка.у_к =у. левоходовой, аправоходовой б. Шаг простой волновой обмотки по кол­лекторуПример 25.4Решение17в13 6 3, 69а б в в = . Сложная волновая обмоткасложную волновую обмотку.т т = 2). Пример 25.5 = Решение. = § 25. 3. Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоряУсловия симметрии обмотки якорясимметричной, несимметричной условиями симметрии.Первое условие.Sа Второе условие.Третье условие. т = 2.Уравнительные соединениямагнитная несимметрия, аб. = —уравнительными соединениями первого рода (уравните­лями). потенциальным шагом . . Пример 25.6= Решение.1 73 9, 511а б уравнительные соединения (уравнители) вто­рого рода, 2113 12 1212Комбинированная обмотка.а. б комбинированной обмотки по якорю равен потенциаль­ному шагу , . р. = + § 25.4. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного токаЭлектродвижущая силаа, 12, расчетной полюсной дугой. коэффициентом полюсного перекрытия б 1расчетную длину якоря — , , .. у у > Электромагнитный момент.. М.а, 2, электромагнитная мощность машины постоянного тока, § 25.5. Выбор типа обмотки якоряNпри выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам якоря с минимальным числом параллель­ных ветвей,

Число полюсов 2	Ток якоря ,, А	Тип обмотки якоря
2	—	Простая петлевая
4	До 700	» волновая
4	Свыше 700 до 1400	» петлевая или комбинированная
4	Свыше 1400	Сложная петлевая ( = 2) или комбинированная

Машины мощностью до 1 кВт	25—30
Машины мощностью более 1 кВт без компенсационной обмотки	16
Машины с компенсационной обмоткой	20

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие обмоток якоря от обмоток статора бесколлекторных машин переменного тока?
2. Какими параметрами характеризуется обмотка якоря?
3. Сколько параллельных ветвей имеет обмотка якоря шестиполюсной машины в случаях простой петлевой и простой волновой обмоток?
4. Во сколько раз изменится ЭДС обмотки якоря шестиполюсной машины, если простую волновую обмотку заменить простой петлевой при том же числе секций?
5. Что такое магнитная несимметрия и каковы ее последствия?
6. В каких обмотках якоря применяют уравнители первого и второго рода?
7. Каковы достоинства комбинированной обмотки?
8. Как влияют ширина секции и положение щеток на ЭДС машины?
9. Какими соображениями руководствуются при выборе типа обмотки якоря?

Глава 25 Обмотки якоря машин постоянного тока