В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.
В результате взаимодействия Iя тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.
Противо ЭДС двигателя Eя
При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС Eя направленная навстречу Iя. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.
Eя = Се * Ф * n (1)
Ce — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.
Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.
U = Eя + Iя * ∑R (2)
где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :
- обмотки якоря
- добавочных полюсов
- обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)
Ток якоря Iя
Выразим из формулы 2 ток якоря.
Частота вращения якоря
Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.
Электромагнитная мощность двигателя
Pэм = Ея Iя (5)
Электромагнитный момент
где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, Cм — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)
Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М0 момент холостого хода;
Р2 — полезная мощность двигателя
Основные уравнения двигателя постоянного тока (ДПТ)
В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.
В результате взаимодействия Iя тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.
Противо ЭДС двигателя Eя
При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС Eя направленная навстречу Iя. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.
Ce — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.
Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.
где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :
- обмотки якоря
- добавочных полюсов
- обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)
Ток якоря Iя
Выразим из формулы 2 ток якоря.
Частота вращения якоря
Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.
Электромагнитная мощность двигателя
Электромагнитный момент
где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, Cм — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)
Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М0 момент холостого хода;
Электрический двигатель постоянного тока
Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.
Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.
Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.
Устройство и описание ДПТ
Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.
Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:
- Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
- Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
- Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
- Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.
Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.
Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.
Статор (индуктор)
В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.
Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:
- с независимым возбуждением обмоток;
- соединение параллельно обмоткам якоря;
- варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
- смешанное подсоединение.
Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.
Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ
У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.
Ротор (якорь)
В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.
В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.
Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.
Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками 
Рисунок 4. Якорь со многими обмотками
Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.
Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем
Коллектор
Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.
Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.
Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.
В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.
Принцип работы
Ещё со школьной скамьи мы помним, что 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. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.
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.
Типы ДПТ
Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.
Рассмотрим основные отличия.
По наличию щеточно-коллекторного узла
Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.
Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.
В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.
По виду конструкции магнитной системы статора
В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.
О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.
Управление
Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.
Механическая характеристика
Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.
Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения
Регулировочная характеристика
Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.
Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.
Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением
Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.
Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.
Области применения
Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:
- бытовые и промышленные электроинструменты;
- автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
- трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.
Преимущества и недостатки
К достоинствам относится:
- Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
- Легко регулируемая частота вращения;
- хорошие пусковые характеристики;
- компактные размеры.
У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.
Недостатки:
- ограниченный ресурс коллектора и щёток;
- дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
- ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
- дороговизна в изготовлении якорей.
По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.
Основные теоретические положения
Важное свойство ДПТ с независимым возбуждением от постоянных магнитов состоит в том, что результирующий момент сил от всех проводников якоря, называемый электромагнитным моментом двигателя M, пропорционален току якоря Iя, потребляемому двигателем от источника питания:
,
где k m — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной момента двигателя. Его размерность [Нм/А]. По законам электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает электродвижущая сила. Суммарная ЭДС катушек якоря E через коллектор и щетки прикладывается к внешним выводам двигателя. В двигательном режиме работы эта ЭДС направлена против внешнего напряжения U я, подведенного к якорю от источника питания. Поэтому ЭДС двигателя часто называется противоЭДС. Она прямо пропорциональна угловой скорости вращения вала двигателя w дв[рад/с]:
,
где k ω — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной ЭДС двигателя. Его размерность [Вс/рад].
Природа электромагнитных явлений в ДПТ такова, что если используется система единиц СИ, то значения коэффициентов k ω и km численно равны.
Уравнения, описывающие электрические процессы в ДПТ
В электрической якорной цепи двигателя протекает ток I я под действием напряжения постоянного тока Ua источника питания и противоЭДС двигателя.
Рис. 1
Эта цепь характеризуется параметрами: активным сопротивлением R я [Ом] и индуктивностью L я [Гн] якорной обмотки. Вращающийся ротор, обладающий моментом инерции Ja [Нм с 2 /рад] , приводится в движение одновременным действием электромагнитного момента двигателя M дв и момента внешних сил M вн, приложенного к валу двигателя.
Исходные дифференциальные уравнения ДПТ составляются на основании законов физики. Для электрической цепи используется второй закон Кирхгофа, согласно которому можно записать уравнение
,
где член R я I я характеризует падение напряжения на активном сопротивлении якорной цепи в соответствии с законом Ома, а член L я ( dI я/ dt ) отражает наличие ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке при изменении тока якоря. В представленном уравнении не учитывается падение напряжения на щетках, зависящее нелинейно от тока якоря, но имеющее, как правило, относительно небольшое значение по сравнению с напряжением U я .
Дифференциальное уравнение, характеризующее процессы в механической части двигателя, составляется на основании второго закона Ньютона:
,
где M вн — момент внешних сил, действующий относительно оси вращения вала двигателя. В этом уравнении не учитывается действие сил трения, возникающих при вращении ротора, но оказывающих относительно слабое действие на ускорение вала ДПТ.
Используя вышеприведенные формулы и приводя дифференциальные уравнения к нормальной форме Коши, получим описание ДПТ в форме:
Для исследования процессов с помощью ЭВМ удобно использовать структурное представление математической модели ДПТ. Для этого преобразуем полученную систему линейных дифференциальных уравнений по Лапласу при нулевых начальных условиях. В результате получим систему алгебраических уравнений:
в которых s — переменная Лапласа, а величины I я( s ), w дв( s ), U я( s ), M вн( s ) — изображения по Лапласу переменных I я , w дв, U я, M вн соответственно. После эквивалентных преобразований эти уравнения могут быть представлены в форме:
где Тэ = L я / R я — электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя.
По уравнениям с помощью системы SIMULINK может быть сформирована структурная схема ДПТ для его математического моделирования (рис.1).
Важным параметром ДПТ, определяющим его динамические свойства, является электромеханическая постоянная времени двигателя:
.
Зависимость между электромагнитным моментом двигателя и частотой вращения ротора в установившемся режиме при постоянных U я и M вн называется механической характеристикой двигателя. Уравнение механической характеристики имеет вид:
.
При пуске двигателя, когда скорость равна нулю, развивается пусковой момент
.
Частота вращения вала двигателя при отсутствии сопротивления называется частотой вращения холостого хода
.
http://www.asutpp.ru/elektrodvigatel-postoyannogo-toka.html
http://imed.narod.ru/el_mech/motor_dc.htm
Л
Е К Ц И Я 28
1.
Устройство машин постоянного тока.
2.
Принцип действия генератора и двигателя.
3.
Уравнения ЭДС якоря и вращающего момента.
4.
Реакция якоря в машинах постоянного
тока.
1.
Устройство машин постоянного тока.
Машины
постоянного тока, которые могут работать
как в режиме двигателя, так и генератора,
обладают рядом преимуществ. При пуске
двигателя создается большой пусковой
момент. Поэтому такие двигатели ироко
применяются в качестве тяговых на
электротранспорте. Широкие пределы и
плавность регулирования скорости
определяют применение двигателей
постоянного тока в разнообразных
системах автоматического управления.
Генераторы
постоянного тока используются для
питания различных силовых агрегатов
(в частности, высококачественных
сварочных аппаратов) Мощности машин
постоянного тока самые различные:
от
нескольких ватт до десятков киловатт.
На транспорте используются двигатели
с напряжением 550 В и мощностью 40 — 45 КВт
(трамваи), с напряжением 1500 В и мощностью
до 12000 КВт (электровозы). КПД в машинах
постоянного тока тем выше, чем больше
мощность. При мощности до 100 Вт КПД =
62%, при мощности до 100 КВт КПД достигает
91%. Недостатком машин постоянного тока
является наличие щеточно-коллекторного
узла, который является одним из самых
ненадежных узлов машины. Рассмотрим
устройство простейшей машины постоянного
тока:
1
— полюсы, как правило представляющие
собой катушку с сердечником,
2
— якорь (или ротор) – вращающаяся часть,
3 —
проводники в пазах якоря.
Неподвижная
часть, на которой укреплены полюсы,
называется статором или индуктором.
Индуктор служит для создания основного
магнитного поля машины. ГН -геометрическая
нейтраль, линия, проходящая посередине
между смежными полюсами.
Важнейшей
конструктивной особенностью машин
постоянного тока является наличие
щеточно-коллекторного узла: 1 — щетка,
2 – пластина коллектора. К пластинам
коллектора подходят выводы отдельных
секций якорной обмотки. Щеточно-коллекторный
узел осуществляет:
—
скользящий контакт между неподвижными
внешними выводами и вращающимися
секциями якорной обмотки,
—
выпрямление тока в режиме генератора,
—
преобразование постоянного тока в
переменный (инвертирование) в режиме
двигателя.
Машины
постоянного тока, как и многие другие
электрические машины, являются обратимыми,
т.е. одна и та же машина может работать
как генератором, так и двигателем.
2.
Принцип действия генератора и двигателя.
В
режиме генератора якорь машины вращается
под действием внешнего момента. Между
полюсами статора имеется постоянный
магнитный поток, пронизывающий якорь.
Проводники обмотки якоря движутся в
магнитном поле и, следовательно, в них
индуктируется ЭДС, направление которой
можно определить по правилу «правой
руки». При этом на одной щетке
возникает положительный потенциал
относительно второй. Если к зажимам
генератора подключить нагрузку, то в
ней пойдет ток. После поворота якоря на
некоторый угол щетки окажутся соединенными
с другой парой пластин, т.е. подключаются
к другому витку якорной обмотки, ЭДС в
котором будет иметь то же направление.
Таким образом, генератор вырабатывает
электрический
ток, и направление этого тока, протекающего
через нагрузку, не изменяется.
При
подключении нагрузки к генератору и с
появлением тока якоря, на валу возникает
электромагнитный момент, направленный
против направления вращения якоря. В
режиме двигателя на зажимы машины
подается постоянное напряжение, и по
якорной обмотке идет
ток.
Проводники якорной обмотки находятся
в магнитном поле машины, созданном
током возбуждения и, следовательно, на
них, согласно закону
Ампера,
будут действовать силы. Совокупность
этих сил создает вращающий момент, под
действием которого якорь будет вращаться.
При вращении якоря в его обмотке наводится
ЭДС, которая направлена навстречу току,
и поэтому для двигателей она называется
противо-ЭДС.
3.
Уравнения ЭДС якоря и вращающего момента.
Рассмотрим
один из проводников в пазу якоря. Пусть
он движется (при вращении якоря) с
линейной скоростью V, тогда в этом
проводнике наводится ЭДС:
Е
= Вср
lя
V sin
,
где
=
90 , lя — длина активной части якоря, Вср
— средняя индукция магнитного поля в
зазоре.
Пусть
2а — число параллельных ветвей. Поскольку
ЭДС равна ЭДС одной ветви, то можем
записать:
где
Ея
— искомая ЭДС якоря, N — число всех
проводников якоря.
Далее
предстоит вывести зависимости Вср
и V от конструктивных параметров.
Поскольку
где
Ф — магнитный поток одного полюса, а S —
площадь, пронизываемая этим потоком,
то
и
далее
здесь
р — число пар полюсов (р = 1,2, …).
Скорость
V можно выразить через частоту вращения
якоря n:
Подставляя
полученные выражения в формулу для Ея:
Если
ввести конструктивный коэффициент
то
окончательно получаем:
Ея
= СЕ
Ф n.
Видно,
что ЭДС якоря пропорциональна частоте
вращения якоря и магнитному потоку
полюсов. Используя закон Ампера,
найдем силу, с которой поле возбуждения
действует на один проводник якоря:
F
= Вср
lя
I sin
,
здесь
= 90 , I — ток в проводнике.
Эта
сила создает вращающий момент:
где
Д — диаметр якоря. Умножая на общее число
проводников N, получим общий момент:
Среднюю
индукцию Вср,
как и раньше, получим при делении
магнитного потока одного полюса на
пронизываемую этим потоком площадь:
Поскольку
ток якоря растекается по параллельным
ветвям, то ток в одном проводнике
определяется выражением:
Подставляя
выражения для Вср
и I в формулу общего момента, получим:
Если
ввести конструктивный коэффициент
то
окончательно можем записать:
Как
видно, электромагнитный момент машины
постоянного тока пропорционален
магнитному потоку полюсов и току якоря.
Полученная
выше формула ЭДС якоря Ея дает некоторое
среднее значение ЭДС. В действительности
величина ее колеблется (пульсирует)
между двумя предельными значениями-
Еmin
и Еmax.
При вращении якоря часть витков, замыкаясь
накоротко щетками, выключается из
параллельных ветвей, и за время поворота
якоря на угол, соответствующий одной
коллекторной пластине, сумма мгновенных
значений ЭДС успевает несколько
измениться. Максимальное значение
возникающих при этом пульсаций ЭДС
Е = 0,5 (Еmax
-Emin)
зависит от числа коллекторных пластин.
Например, при увеличении этого числа
от 8 до 40 величина Е уменьшается от 4В
до 0,16В.
4.
Реакция якоря в машинах постоянного
тока.
При
холостом ходе машины постоянного тока
магнитное поле создается только обмотками
полюсов. Появление тока в проводниках
якоря при нагрузке сопровождается
возникновением магнитного поля якоря.
Поскольку направление токов в проводниках
между щетками неизменно, поле вращающегося
якоря оказывается неподвижным
относительно щеток и полюсов возбуждения.
Oбмотка
якоря становится аналогичной соленоиду,
ось которого совпадает с линией щеток,
поэтому, когда щетки установлены на
геометрических нейтралях, поток якоря
является поперечным по отношению к
потоку возбуждения, а его влияние на
последний называется поперечной реакцией
якоря. Построив вектор результирующего
потока, видим, что он теперь поворачивается
относительно геометрической оси главных
полюсов. Поле машины становится
несимметричным, физические
нейтрали
поворачиваются относительно геометрических.
В генераторе они смещаются в сторону
вращения якоря, в двигателе — против
направления вращения якоря.
Под
физической нейтралью будем понимать
линию, проходящую через центр якоря и
проводника обмотки якоря, в которой
индуктируемая результирующим магнитным
потоком ЭДС равна нулю. Поперечная
реакция якоря мало влияет на показатели
работы машины, это влияние обычно не
учитывают. Однако при смещении щеток с
геометрической нейтрали в потоке якоря
появляется продольная составляющая,
ее влияние на поток полюсов называют
продольной реакцией якоря. Она может
носить как намагничивающий, так и
размагничивающий характер. В общем
случае реакция якоря приводит к искажению
поля под полюсами и изменению потока
полюсов. Первое может вызвать значительное
усиление искрения под щетками (вплоть
до появления кругового огня на коллекторе),
а последнее в генераторе изменяет
напряжение на зажимах, а в двигателе
вращающий момент и частоту вращения
якоря.
Для
ослабления реакции якоря увеличивают
воздушный зазор между статором и якорем,
используют специальные короткозамкнутые
витки в пазах полюсных наконечников.
В машинах большой мощности для этих
целей применяется специальная
компенсационная обмотка. Она укладывается
в пазы полюсных наконечников, а включается
последовательно в цепь якоря, ее поток
уравновешивает продольный поток якоря.
[an error occurred while processing this directive]
Глава девятая
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Как было показано ранее, ЭДС проводника обмотки якоря определяется по формуле епр = Blv.
При вращении якоря ЭДС епр изменяется в соответствии с графиком, приведенным на рис. 9.2, б. Среднее значение ЭДС проводника епр,ср при его перемещении в пределах полюсного деления можно определить через среднее значение магнитной индукции (см. рис. 9,2 б):
епр,ср = Bcplv.
Если обмотка якоря имеет N проводников и 2а параллельных ветвей, то число последовательно соединенных проводников в каждой параллельной ветви будет N/2a. Тогда среднее значение ЭДС машины
Среднее значение магнитной индукции
где Ф — магнитный поток одного полюса, Вб; Dя — диаметр якоря, м; 2р — число полюсов машины.
Величина πDяl/2p в (9.5) представляет собой поверхность сердечника якоря, приходящуюся на один полюс.Линейную скорость проводников v можно определить по формуле
где n— частота вращения якоря, об/мин.
После замены в (9.4) магнитной индукции Вср и скорости v согласно (9.5) и (9.6) получим
(9.7)
| Е = | p | N | Фn = kеФn, | |
| а | 60 |
| где kе = | p | N | — коэффициент ЭДС, зависящий от конструк тивных особенностей машины. | |
| а | 60 |
Как видно, ЭДС прямо пропорциональна произведению магнитного потока на частоту вращения. По формуле (9.7) можно определять как ЭДС генераторов, так и ЭДС двигателей.
Электромагнитная сила в ньютонах, действующая на проводник обмотки якоря, определяется соотношением
Fпр = BlIпр = BlIя /2a,
где Iпр — ток проводника, равный току параллельной ветви, А; Iя — ток якоря, А.
При вращении якоря сила, действующая на проводник, изменяется.
Среднее значение силы можно определить через среднее значение магнитной индукции:
Fпр, ср = BcplIя/2a.
Средний электромагнитный момент, Н•м, действующий на якорь,
(9.8)
| Mcp = Fпр, ср | Dя | N = Bcpl | lя | Dя | N. | |
| 2 | 2a | 2 |
После замены в (9.8) магнитной индукции Вср согласно (9.5) получим
(9.9)
| Mэм = | р | N | ФIя = kMФIя, | |
| а | 2π |
| где kM = | р | N | — коэффициент момента, зависящий от конструктивных особенностей машины. | |
| а | 2π |
Как видно, момент электромагнитный прямо пропорционален произведению магнитного потока на ток якоря. По формуле (9.9) можно определять как момент генераторов, так и момент двигателей.
Если момент выражен в ньютоно-метрах, то между коэффициентами kе и kM существует следующее соотношение:
Электромагнитный момент Мэм, вызванный взаимодействием магнитного потока и тока якоря и определяемый по формуле (9.9), отличается от момента М, развиваемого машиной на валу, вследствие трения в подшипниках, вращающегося якоря о воздух и вентиляционных потерь. Так как указанные два момента отличаются незначительно, будем в дальнейшем считать их равными и обозначать М.
[an error occurred while processing this directive]
Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока
Статор
— неподвижная часть двигателя.
Индуктор
(система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо
постоянные магниты
либо
обмотку возбуждения
. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.
Якорь
— часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.
Щетки
— часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.
Коллектор
— часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].
Что такое якорь и индуктор, статор и ротор и чем они отличаются?
Нередко при описании устройства или работы электродвигателей и генераторов упоминается про их ротор и статор. Разумеется, понятно что это части этих электрических машин. Но в некоторых случаях вместо слова ротор употребляют слово якорь. Обычно так говорят про электродвигатели постоянного тока. Однако, иногда слово якорь могут употреблять и для других электрических машин. Возникает вопрос: якорь и ротор — это одно и тоже? Или же в разных условиях они называются по разному?
Якорь и индуктор или статор и ротор?
Ротор и статор
Проще всего разобраться с понятиями ротор и статор. Потому как их физическое состояние определяет их название. Иначе говоря, термины ротор и статор обозначают части электрических машин в отношении физического перемещения этих частей относительно друг друга. К тому же, каждый из этих терминов относится всегда к одной и той-же конкретной и неизменной части электромашины. Чуть сложнее понять что такое якорь и индуктор. Так как они могут означать совершенно разные части машин в разных условиях.
Предположительно слово статор происходит от латинского sto — стою. А уже с латыни было образовано английское stator. То есть, статор является неподвижной (статичной) частью электрогенератора или электродвигателя. Для того, чтобы электрическая машина производила какую-нибудь работу, надо чтобы статор взаимодействовал с ротором. Взаимодействие это происходит посредством электромагнитной индукции.
Статор и ротор асинхронного электродвигателя
Слово ротор вероятно происходит от латинского rota — колесо, roto — вращаюсь. То есть, ротор представляет подвижную (обычно вращающуюся) часть электрической машины. Изготавливают ротор преимущественно в форме цилиндра или диска. По замыслу, ротор связан с каким-либо валом. Посредством этого вала, он или приводится в движение (генератор) или сам приводит в движение какую-либо машину (электродвигатель).
Якорь
Электротехнический термин якорь обычно относится к одной из частей электрических машин имеющих обмотки. Однако, этот термин может относится и к подвижной части магнитопровода реле или электромагнита. В электрических машинах якорь может быть как статором, так и ротором. Все зависит от обстоятельств. ГОСТ 27471-87 (Машины электрические вращающиеся. Определения) даёт якорю такое обозначение
Часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины переменного тока, в которой индуктируется эдс и протекает ток нагрузки.
Обычно на практике под понятием якорь имеется в виду часть электродвигателя, по обмоткам которой при работе протекает электрический ток сети. То есть, якорем является та часть электродвигателя, к обмоткам которой подключено питание (рабочая обмотка).
Для генератора же под якорем подразумевается та его часть, с которой снимается вырабатываемое напряжение. Например, в коллекторном двигателе постоянного тока якорем является ротор. А в бесколлекторном двигателе постоянного тока якорем будет статор. Для синхронных генераторов переменного тока, чаще всего, якорь — это статор.
Хотя у некоторых маломощных генераторов, якорь — это ротор, с которого вырабатываемое напряжение снимается через щётки.
Типы коллекторных электродвигателей
По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.
Коллекторный двигатель с постоянными магнитами
Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.
- Преимущества:
- лучшее соотношение цена/качество
- высокий момент на низких оборотах
- быстрый отклик на изменение напряжения
- Недостатки:
- постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства
Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения
- По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
- независимого возбуждения
- последовательного возбуждения
- параллельного возбуждения
- смешанного возбуждения
Двигатели независимого и параллельного возбуждения
В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения UОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].
В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения
питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается.
При нагружении двигателя
ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.
- Преимущества:
- практически постоянный момент на низких оборотах
- хорошие регулировочные свойства
- отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)
- Недостатки:
- дороже КДПТ ПМ
- двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля
Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].
Двигатель последовательного возбуждения
В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (Iв = Iа), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (Iа < Iном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф
Iа), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:
,
- где M – момент электродвигателя, Н∙м,
- сМ – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
- Ф – основной магнитный поток, Вб,
- Ia – ток якоря, А.
С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током Iа и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом Iа практически не увеличивается. График зависимости M=f(Ia) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию [3].
Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.
- Преимущества:
- высокий момент на низких оборотах
- отсутствие потерь магнетизма со временем
- Недостатки:
- низкий момент на высоких оборотах
- дороже КДПТ ПМ
- плохая управляемость скоростью из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
- двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля
Ротор и статор в электродвигателе. Что это и зачем?
Рано или поздно человек, интересующийся электротехникой, слышит упоминания о роторе и статоре, и задается вопросом: «Что это такое, и в чем отличие этих устройств?» Простыми словами, ротор и статор – это две основные части, расположенные в электродвигателе (устройстве по преобразованию электрической энергии в механическую). Без них существование современных двигателей, а значит и большинства электрических приборов на их основе, было бы невозможным. Статор является неподвижной частью устройства, а ротор – подвижной, они вращаются в разные стороны относительно друг друга. В этой статье я попробую подробно разобрать конструкцию этих деталей и их принцип действия.
Ротор и статор
Проще всего разобраться с понятиями ротор и статор. Потому как их физическое состояние определяет их название. Иначе говоря, термины ротор и статор обозначают части электрических машин в отношении физического перемещения этих частей относительно друг друга. К тому же, каждый из этих терминов относится всегда к одной и той-же конкретной и неизменной части электромашины. Чуть сложнее понять что такое якорь и индуктор. Так как они могут означать совершенно разные части машин в разных условиях.
Предположительно слово статор происходит от латинского sto — стою. А уже с латыни было образовано английское stator. То есть, статор является неподвижной (статичной) частью электрогенератора или электродвигателя. Для того, чтобы электрическая машина производила какую-нибудь работу, надо чтобы статор взаимодействовал с ротором. Взаимодействие это происходит посредством электромагнитной индукции .
Что такое ротор
Ротор, еще его иногда называют якорь, это подвижная, то есть вращающаяся часть в генераторе или электродвигателях, которые повсеместно применяются в бытовой и промышленной технике.
Если рассматривать ротор двигателя постоянного тока или универсального коллекторного двигателя, то он состоит из нескольких основных узлов, а именно:
- Сердечник. Он выполнен из множества штампованных тонких металлических пластин, изолированных друг от друга специальным диэлектриком или же просто оксидной пленкой, которая проводит ток гораздо хуже, чем чистый металл. Сердечник набирается из них и представляет собой «слоеный пирог». В результате электроны не успевают разогнаться из-за маленькой толщины металла, и нагрев ротора гораздо меньше, а эффективность всего устройства выше за счет уменьшения потерь. Данное конструктивное решение принято для уменьшения вихревых токов Фуко, которые неизбежно возникают при работе двигателя из-за перемагничивания сердечника. Этот же метод борьбы с ними используется и в трансформаторах переменного тока.
- Обмотки. Вокруг сердечника особым образом намотана медная проволока, покрытая лаковой изоляцией для предотвращения появления короткозамкнутых витков, которые недопустимы. Вся обмотка дополнительно пропитана эпоксидной смолой или лаком для фиксации обмоток, чтобы они не повреждались при вибрациях от вращения.
- Обмотки ротора могут подключаться к коллектору – специальному блоку с контактами, надежно закрепленному на валу. Эти контакты называются ламелями, они выполнены из меди или ее сплава для лучшей передачи электрического тока. По нему скользят щетки, обычно выполненные из графита, и в нужный момент на обмотки подается электрический ток. Это называется скользящий контакт.
- Сам вал является металлическим стержнем, на его концах расположены посадочные места под подшипники качения, он может иметь резьбу или выемки, пазы под шпонку для крепления шестерен, шкивов или других деталей, приводимых в движение электродвигателем.
- На валу также размещается крыльчатка вентилятора, чтобы двигатель охлаждал сам себя и не приходилось бы устанавливать дополнительное устройство для отвода тепла.
Стоит отметить, что не у всякого ротора есть обмотки, которые, в сущности, представляют собой электромагнит. Вместо них могут применяться постоянные магниты, как в бесщеточных двигателях постоянного тока. А у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обмоток в привычном виде вовсе нет, вместо них используются короткозамкнутые металлические стержни, но об этом ниже.
ЯКОРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
основная часть машины, несущая на себе обмотку, в к-рой при работе машины в качестве генератора (см. Генератор электрический) индуктируется электродвижущая сила, а при работе ее в качестве мотора (см. Электродвигатель) циркулирует ток от сети.
Взаимодействие к-рого с магнитным полем машины вызывает ее вращение. В машинах постоянного тока и в коллекторных моторах переменного тока якорь является вращающейся частью машины (ротором) и представляет собой барабан, собранный с целью уменьшения вредного действия вихревых токов из отдельных железных листов толщиной примерно 0,5 мм, разделенных между собой тонкой бумагой или покрытых лаком для изоляции друг от друга; в продольных пазах на боковой поверхности барабана укладывается обмотка. В большинстве современных машин переменного тока якорь неподвижен (статор) и укрепляется обычно в станине машины.
Что такое статор
Статор – это неподвижная часть в электродвигателе. Обычно он совмещен с корпусом устройства и представляет собой цилиндрическую деталь. Он так же состоит из множества пластин для уменьшения нагрева из-за токов Фуко, в обязательном порядке покрытых лаком. На торцах располагаются посадочные места под подшипники скольжения или качения.
Конструкция называется пакет статора, она впрессовывается в чугунный корпус устройства. Внутри этого цилиндра вытачиваются пазы под обмотки, которые, так же как и для ротора, пропитываются специальными составами, чтобы тепло равномернее распределялось по устройству, и обмотки не терлись друг об друга от вибрации.
Обмотки статора могут подключаться разными способами в зависимости от назначения и типа электрической машины. Для трехфазных электродвигателей применимы типы подключения звезда и треугольник. Они представлены на схеме:
Для выполнения подключений на корпусе устройства предусмотрена специальная распределительная коробка («борно»). В эту коробку выведены начала и концы трех обмоток и предусмотрены специальные клеммники различных конструкций, в зависимости от мощности и назначения машины.
Существуют серьезные отличия в работе двигателей при разном соединении обмоток. Например, при подключении звездой двигатель будет стартовать плавнее, однако нельзя будет развить максимальную мощность. При присоединении треугольником, электродвигатель будет выдавать весь крутящий момент, заявленный производителем, но пусковые токи в таком случае достигают высоких значений. Электросеть может быть просто не рассчитана на такие нагрузки. Использование устройства в этом режиме чревато нагревом проводов, и в слабом месте (это места соединения и разъемы) провод может отгореть и привести к пожару. Главным преимуществом асинхронных двигателей является удобство в смене направления их вращения, нужно просто поменять местами подключения двух любых обмоток.
Статор и ротор в асинхронных двигателях
Трехфазные асинхронные двигатели имеют свои особенности, ротор и статор в них отличаются от использованных в других типах электродвигателей. Например, ротор может иметь две конструкции: короткозамкнутый и фазный. Рассмотрим особенности строения каждого из них по подробнее. Однако для начала давайте вкратце разберемся, как работает асинхронный двигатель.
В статоре создается вращающееся магнитное поле. Оно наводит на роторе индуцируемый ток и тем самым приводит его в движение. Таким образом ротор всегда пытается «догнать» вращающееся магнитное поле.
Необходимо также упомянуть о такой важной особенности асинхронного двигателя, как скольжение ротора. Это явление заключается в разности частот вращения ротора и магнитного поля, создаваемого статором. Объясняется это как раз тем, что ток индуцируется в роторе только при его движении относительно магнитного поля. И если бы частоты вращения были одинаковы, то этого движения бы просто не происходило. В результате ротор пытается «догнать» по оборотам магнитное поле, и если это происходит, то ток в обмотках перестает индуцироваться и ротор замедляется. В этот момент сила, действующая на него, растет, он начинает опять ускоряться. Так и получается эффект стабилизации частоты вращения, за что эти электродвигатели и пользуются большой востребованностью.
Якорь (электротехника)
- В электротехнике термин якорь обозначает компонент электрической машины с рабочей обмоткой, а также подвижную часть магнитопровода электромагнита и реле. В отношении физического перемещения части электрических машин подразделяют на подвижную (ротор) и неподвижную (статор). ГОСТ 27471-87 (Машины электрические вращающиеся. Определения) определяет якорь как часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины переменного тока, в которой индуктируется эдс и протекает ток нагрузки. В соответствии с этим, якорь вращающейся электрической машины может являться как ее ротором, так и статором. Простое, широко применяемое в практике правило, определяет якорь как обмотку машины, по которой при работе ее в режиме двигателя протекает ток сети, а при работе в режиме генератора с нее снимается напряжение. Так, в коллекторной машине постоянного тока якорем будет ротор (известны также конструкции бесколлекторных двигателей постоянного тока, где якорем является статор, см. фото), в синхронной машине переменного, в большинстве случаев, — статор (за исключением некоторых конструкций маломощных машин, где выходное напряжение снимается с ротора через щетки); применительно к асинхронным машинам термин не употребляется (в них якорем можно считать как статор, так и ротор).
В ДПТ якорь взаимодействует другим компонентом магнитной цепи, создающим поле возбуждения. Это могут быть электромагниты или постоянные магниты.. Якорь, в свою очередь, содержит проводник электрического тока, ориентированный, в первом приближении, перпендикулярно к магнитному полю и к направлению движения, вращения или линейного перемещения.
Для поиска разомкнутых, короткозамкнутых и замкнутых на корпус витков может быть использован прибор для поверки якорей (ППЯ) — трансформатор с разомкнутым магнитопроводом.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Конденсаторные двигатели — разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока. Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем. По количеству фаз статора делятся на двухфазные и трёхфазные.
Электромеханические преобразователи — это класс устройств, созданных для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Также возможно преобразование электрической энергии в электрическую же энергию другого рода. Основным видом электромеханического преобразователя является электродвигатель (электрогенератор).
Источник
Фазный ротор
Главное отличие фазного ротора от короткозамкнутого заключается в наличии трехфазной обмотки, уложенной в проточки сердечника и соединяющейся в особом коллекторе с тремя кольцами вместо ламелей. Эти обмотки обычно соединяются «звездой». Такие электродвигатели более трудоемки в производстве за счет усложнения конструкции, однако их пусковые токи ниже, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, а также они лучше поддаются регулировке.
Надеюсь, что после прочтения данной статьи у вас больше не осталось вопросов о том, что такое ротор и статор электродвигателя и какой у них принцип работы. С вас лай, шер и подписка:)
Электротехнический термин
«якорь» намного старше слова электротехника. В эпоху великих географических открытий и развития мореплавания в мировом океане ощущалась острая потребность в магнитных компасах, основной частью которых была магнитная стрелка. Эти стрелки изготавливались из железа и намагничивались природными магнитами. Других попросту не было.
Для хорошего намагничивания требовались и хорошие магниты. Для усиления действия природных магнитов их армировали железом, прикрепляя его к камню с помощью немагнитных оправ из меди, серебра и даже золота. Все это украшалось стилизованными фигурками, орнаментами или надписями.
Магниты стоили дорого. В комплект магнита входил также съемный железный брусочек, который «прилепливался» к полюсам магнита. Этот брусочек имел с одной стороны кольцо, крючок или декоративную копию морского якоря для подвешивания гиревой чашки. Силу удержания этого брусочка магнитом всегда можно было измерить по весу гирь, укладываемых в чашку. Сам же брусочек с крючком и получил название «якорь магнита».
С изобретением в 1825 г. электромагнитов способ измерения их силы не изменился. Так, например, в преамбуле своего труда, вышедшего в 1838 г. в Петербурге под названием «О притяжении электромагнитов», российские академики Б.С. Якоби и Э.Х. Ленц прямо так и записали: «Сила притяжения определялась весом гирь, которые накладывались до тех пор, пока якорь не отрывался».
Электромагниты уже могли создавать мощные магнитные поля. Американский ученый Дж. Генри создал электромагнит, якорь которого был в состоянии удерживать груз весом в тонну. Но не в этом его главная заслуга как инженера. Он поставил якорь электромагнита на шарнир и заставил при притяжении ударять по колокольчику. Так появился первый электромагнитный звонок.
Приспособив контакты к подвижному якорю, американец получил никому доселе неизвестный прибор — реле, устройство для автоматической коммутации электрических цепей по сигналу извне, позволяющее передавать телеграфные сигналы на практически любые расстояния.
В современных электромагнитных реле подвижная часть магнитопровода и до сего времени называется якорем, хотя и не имеет никакого внешнего сходства с удерживающим устройством корабля на рейде.
Изобретательская мысль Дж. Генри на этом не остановилась. Он сделал магнитопровод с катушкой и установил его горизонтально, как коромысло лабораторных аналитических весов. При качаниях устройства (якоря), контакты, укрепленные на концах коромысла, периодически касались выводов двух гальванических элементов, запитывавших катушку токами различного направления. Соответственно, коромысло, качаясь, притягивалось к двум постоянным магнитам, входившим в систему.
Установка работала непрерывно, сообщая якорю 75 качаний в минуту. Так появилась одна из первых конструкций электродвигателя с возвратно-поступательным движением. Впрочем, превратить его во вращательное для того времени не составляло никакого труда.
Генри писал: «Мне удалось привести в движение небольшую машину силой, которая до сих пор не находила применения в механике, я говорю о магнитном притяжении. Я не придаю большого значения этому изобретению, ибо в теперешнем его виде оно представляет только физическую игрушку. Однако не исключена возможность, что при дальнейшем развитии принципа это сможет быть использовано для практических целей».
Машины с возвратно-поступательным движением тогда распространения не получили, хотя были предложены вполне работоспособные конструкции У. Кларком, Ч. Пейджем и др. Технологически более удобным в применении оказался электродвигатель с вращающимся якорем.
Затем наступила эра трехфазного переменного тока. Никто вращающиеся узлы у двигателей переменного тока якорем не называл, и это было справедливо. Как не назвать вращающееся магнитное поле вихрем, а вращающуюся часть ротором? Но в машинах постоянного тока (и в двигателях, и в генераторах) терминология осталась прежней. Якорь вращается, а полюсной наконечник называется башмаком, слово, которое можно встретить сейчас только в сказках XVIII в.
статор электродвигателя
Что такое асинхронный электродвигатель знает практически каждый человек, который хоть немного имеет отношение к технике. А вот как именно он работает и из чего состоит, знает не так много, даже тех, кто работает и использует такие двигателя. В статье будут детально рассмотрены основные составные части и принцип работы. Дадим ответы на вопросы:
- Что такое статор ЭД и его назначение?
- Что такое якорь в двигателе?
- Что такое обмотки возбуждения?
Трехфазный асинхронный электродвигатель был изобретен русским, ученным М. О. Доливо-Добровольский, в 1889 году. Его основное предназначение – преобразование электрической энергии в механическую. благодаря свое эффективной работе и низкой стоимости он является одним из самых выпускаемых двигателей. Еще, соей популярности они обязаны, простоте своей эксплуатации.
Асинхронный электродвигатель применяется во всех отраслях промышленности. Их массово применяют для бытовых приборов. Как правило, используют двигателя, которые работают на переменном токе. Встретить их можно даже в детских игрушках.
Принцип работы основан на двух законах: магнитной индукции и законе Ампера. Первый закон описывает появление электродвижущих сил, под влиянием изменения магнитного поля, создаваемого статором. Второй закон описывает работу ротора, которая заключается в электрических зарядах, поступающих к проводнику, которые находятся внутри магнитного поля и объясняет распределение движущихся сил.
Якорь стартера: сердце системы электропуска двигателя
В каждом автомобиле есть специальный узел для запуска двигателя — стартер. Важным компонентом стартера является якорь — ротор электродвигателя, крутящий момент которого обеспечивает пуск мотора. О том, что такое якорь стартера, как он устроен и работает, а также о его ТО и ремонте читайте в статье.
Что такое статор ЭД и его назначение?
Статор – это неподвижная часть двигателя, которая работает в паре с ротором. Статор состоит из основания и сердечника. Основание это цельный корпус, изготовленный из сплавов алюминия или чугуна. Сердечник изготовлен листовой электротехнической стали, толщина которой зависит от характеристик двигателя и оставляет от 0,35 до 0,5 мм. В статоре есть пазы, предназначенные для размещения обмотки. Обмотка – это свитые межу собой повода, соединенные параллельным способом, что позволяет при работе уменьшить возникающие вихревые токи. Трехфазная перемотка статора создает электромагнитное поле. В пазы устанавливают определенное количество катушек, которые соединятся между собой.
В случае поломки электродвигателя выполняется перемотка статора. Варианты перемоток зависят от типа изоляции. Изоляцию выбирают в зависимости от показателя максимального напряжения, температуры перемотки, типа паза и вида обмотки.
Используемый материал для обмотки – медная проволока. Перемотка осуществляется в один или два слоя, в зависимости от расположения катушек в пазах.
Ремонт ЭД начинается с очистки или продувки от грязи и пыли составных частей статора. Следующий шаг – разборка корпуса для замены обмотки. При помощи механических инструментов проводят срезку лицевой части статора, где находится перемотка.
Для того чтобы осуществить разборку статор необходимо нагреть до температуры 200 градусов, после чего снятие обмотки и катушек будет более простым. После того как статор разобран прочищаются пазы. В очищенные и подготовленные пазы устанавливают новую обмотку, используя готовые шаблоны. Установленные новые катушки необходимо покрыть лакоми и высушить при температуре 150 градусов, выдержав два часа.
Сопротивлением между корпусом и обмоткой проверять можно только после того, как была выдержана все технология сушки. Использование различного по диаметру кабеля позволяет проводить регулировку параметров работы ЭД.
Во время эксплуатации электродвигателя возможны ситуации, когда детали начинают перегреваться. Это связано с изменением потребляемого тока. Это происходит из-ща размыкания электрической цепи. Еще одна причина нагрева ЭД – износ подшипников. Это негативно сказывается работоспособности обмотки изоляции. Производители устанавливают на всех типах ЭД защиту от перегрева. Она следит и срабатывает в случаях:
- превышения пускового времени;
- перегрузка;
- скачков напряжения;
- выхода из строя фазных проводов;
- заклинивания ротора;
- сбоя приводных устройств.
Также для защиты статора применяется тепловое реле. Оно срабатывает, когда нагревается биметаллическая пластина, которая под воздействием пружины размыкает электрическую цепь. В исходное положение пластина возвращается при нажатии кнопки.
Реле, может встроенным в ЭД, а может быть приобретено как отдельная единица.
Что такое обмотки возбуждения?
Ротор – это постоянный магнит, а статор – это генератор переменного магнитного поя. Поле, которое создает статор неподвижно относительно него. Включив электродвигатель, исходного варианта никакой работы не произойдет, а статор будет находится под воздействием поля или без него. для того, чтобы заставить якорь вращаться необходима обмотка возбуждения. Основная функция обмотки возбуждения – менять полярность ротора, таким образом, задавая ему вращательное движение. При достижении необходимых оборотов обмотка возбуждения отключается.