Двигатель постоянного тока — электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.
Содержание |
По некоторым мнениям этот двигатель, можно еще назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простейший двигатель (рис. 1), являющийся машиной постоянного тока, состоит из постоянного магнита на индукторе (статоре), из одного электромагнита с явно выраженными полюсами на якоре (двухзубцового якоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой), щёточноколлекторного узла с двумя пластинами (ламелями) и двумя щётками.
Простейший двигатель имеет два положения ротора (две «мёртвые точки»), из которых невозможен самозапуск, и неравномерный крутящий момент. В первом приближении магнитное поле полюсов статора равномерное (однородное) и равно:
где — число витков обмотки ротора,
— индукция магнитного поля полюсов статора,
— ток в обмотке ротора [А],
— длина рабочей части витка обмотки [м],
— расстояние от оси ротора до рабочей части витка обмотки ротора (радиус) [м],
— синус угла между направлением северный-южный полюс статора и аналогичным направлением в роторе [рад],
— угловая скорость [рад/сек],
— время [сек].
Из-за наличия угловой ширины щёток и углового зазора между пластинами (ламелями) коллектора в двигателе этой конструкции имеются динамически постоянно короткозамкнутые щётками части обмотки ротора. Число короткозамкнутых частей обмотки ротора равно числу щёток. Эти короткозамкнутые части обмотки ротора не участвует в создании общего крутящего момента.
Суммарная короткозамкнутая часть ротора в двигателях с одним коллектором равна:
где — число щёток,
— угловая ширина одной щётки [радиан].
Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент рамок (витков) с током за один оборот равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода (1 оборот = ):
Двигатель, показанный на рис. 2, состоит из одного электромагнита на статоре (двухполюсного статора) с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой, ротора с тремя зубцами и, соответственно, с тремя обмотками (обмотки ротора при такой конструкции могут быть включены звездой (в столь маломощной машине условия коммутации допускают такое соединение) или треугольником), щёточноколлекторного узла с тремя пластинами (ламелями) и с двумя щётками. Самозапуск возможен из любого положения ротора. Имеет меньшую неравномерность крутящего момента, чем двигатель с двухзубцовым ротором (рис. 1).
ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы.
Сокращение ДПТ (двигатель постоянного тока) является неудачным, так как название «двигатель переменного тока» имеет то же сокращение — ДПТ. Но так как двигатели переменного тока разделяются на асинхронные (АД) и синхронные (СД), сокращение ДПТ относят к двигателям постоянного тока.
На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения).
В простейшем случае статор имеет два полюса, то есть один магнит с одной парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации на коллекторе.
Минимальное число зубцов ротора, при котором самозапуск возможен из любого положения ротора - три. Из трёх, кажущихся явно выраженными, полюсов, на самом деле один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет две пары полюсов (как и статор, так как в противном случае работа двигателя не возможна).
Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).
При вычислении момента инерции ротора его, в первом приближении, можно считать сплошным однородным цилиндром с моментом инерции, равным:
где — масса цилиндра (ротора),
а — радиус цилиндра (ротора).
Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.
Конструкции коллекторов имеют множество разновидностей.
Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.
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 недопустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.
В принципе работы электродвигателя постоянного тока есть два подхода:
В однородном магнитном поле полюсов статора с индукцией , на два стержня рамки длиной , и с током , действует сила Ампера , постоянной величины, равные:
Эти силы прикладываются к плечам , равным:
и создают крутящий момент , равный:
Для двух стержней рамки, суммарный крутящий момент равен:
Практически (из-за того, что угловая ширина щётки (в радианах) немного меньше угловой ширины зазора , между пластинами (ламелями) коллектора, чтобы источник питания не замыкался накоротко) четыре небольших части под кривой крутящего момента, равные:
не участвуют в создании общего крутящего момента.
При числе витков в обмотке равном , крутящий момент будет равен:
Наибольший крутящий момент будет при угле поворота рамки равном: , то есть при угле 90°.
При этом угле поворота рамки с током, вектора магнитных полей статора и ротора (рамки) будут перпендикулярны друг к другу, то есть под углом 90°. При угле поворота ротора (рамки) равном 180°, крутящий момент равен нулю (из-за нулевого плеча), но силы не равны нулю и это положение ротора (рамки), при отсутствии переключения тока, весьма устойчиво и подобно одному шагу в шаговом двигателе.
Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода :
При витков в обмотке:
Если на роторе машины установить вторую рамку, сдвинутую относительно первой на угол , то получится четырёхполюсный ротор.
Момент второй рамки:
Суммарный момент обеих рамок:
Таким образом получается, что крутящий момент зависит от угла поворота ротора, но неравномерность меньше, чем при одной рамке. Кроме этого добавляется самозапуск из любого положения ротора. При этом для второй рамки потребуется второй коллектор (щёточно-коллекторный узел). Оба узла соединяются параллельно, при этом переключение тока в рамках происходит в интервалах с наименьшим током в рамках, при последовательном соединении переключение тока в одной из рамок (разрыв цепи) происходит во время максимального тока в другой рамке. Практически, из-за того, что угловая ширина щётки (в радианах) немного меньше угловой ширины зазора (в радианах) между пластинами коллектора (ламелями), восемь небольших частей под кривой крутящего момента, равных:
не участвуют в создании общего крутящего момента.
Если магнитное поле полюсов статора неоднородное и изменяется по отношению к стержням рамки по закону:
то крутящий момент для одного стержня будет равен:
для двух стержней:
для рамки из витков:
В создании крутящего момента не участвуют четыре части под кривой крутящего момента равные:
Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой делённой на длину периода :
При витках в обмотке:
Для второй (косинусной) рамки:
крутящий момент от второй (косинусной) рамки будет равен:
суммарный крутящий момент от обеих рамок равен:
то есть постоянен, и от угла поворота ротора не зависит.
Практически из-за наличия зазора восемь небольших частей, под кривой крутящего момента, равные:
в создании крутящего момента не участвуют.
Для вычисления момента инерции ротора его можно считать, в первом приближении, сплошным однородным цилиндром с моментом инерции:
Необходимо отметить, что работа по вращению ротора (рамки с током) совершается не за счет энергии внешнего магнитного поля (поля статора), а за счет источника тока, поддерживающего неизменным ток в контуре рамки. При изменениях магнитного потока, пронизывающего контур (рамку с током) при вращении, в этом контуре возникает э.д.с. индукции, направленная противоположно э.д.с. источника тока. Следовательно, источник тока, кроме работы, затрачиваемой на выделение ленц-джоулева тепла, должен совершать дополнительную работу против э.д.с. индукции. Сам же процесс вращения происходит за счет силы Лоренца, действующей на заряд, движущийся в магнитном поле. От носителя тока действие этой силы передается проводнику, по которому он перемещается. Ошибочно мнение, что ротор (рамка с током) приходит в движение за счет того, что его магнитное поле толкает магнитное поле статора.
ДПТ классифицируют по виду магнитной системы статора:
Вид подключения обмоток статора существенно влияет на тяговые и электрические характеристики электродвигателя.
С одним коллектором (щёточноколлекторным узлом) и обмотками, где — число пар полюсов ротора, с соединением обмоток ротора в кольцо (по этой классификации двигатель на рис. 2 является полуторным, имеет полторы пары полюсов и обмотки ротора). Имеют большую, короткозамкнутую щётками, часть обмотки ротора, равную:
С двумя коллекторами (щёточноколлекторными узлами, в бесколлекторных — с инвертором на двух параллельных мостах) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусный, двухфазный) с неоднородным (синусообразным) магнитным полем полюсов статора. Имеют малую нерабочую часть под кривой крутящего момента, равную:
Подобен двухфазному бесколлекторному.
С тремя коллекторами и тремя обмотками (в бесколлекторных с инвертором на трёх параллельных мостах, трёхфазный).
С четырьмя коллекторами (щёточноколлекторными узлами) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусные), специальные. Специальная конструкция коллектора с четырьмя коллекторами (один коллектор на одну щётку) позволяет почти до нуля уменьшить нерабочую часть крутящего момента (нерабочая часть крутящего момента в этом двигателе зависит от точности изготовления деталей) и сделать используемую часть крутящего момента независимой от угловой ширины щётки. При этом угловая ширина одной пластины коллектора равна:
С четырьмя коллекторами и четырьмя обмотками (в бесколлекторных — с инвертором на четырёх параллельных мостах, четырёхфазный).
С восемью коллекторами (щёточноколлекторными узлами). В этом двигателе уже нет рамок, а ток подаётся через коллекторы в отдельные стержни ротора.
И др.
Электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР) (вентильный электродвигатель).
Ротор является постоянным магнитом, а обмотки статора переключаются электронными схемами — инверторами. Бесколлекторные электродвигатели могут быть однофазными (две «мёртвые точки»), двухфазными (синусно-косинусными), трёх- и более фазными.
Бесколлекторный двигатель постоянного тока с выпрямителем (мостом) может заменить универсальный коллекторный двигатель (УКД).
Основные формулы, используемые при управлении ДПТ:
ω = (U — IR)/CΦ где U — подводимое к ОЯ напряжение, I — ток ОЯ, R — сопротивление цепи якоря, С — конструктивная постоянная, Ф — поток создаваемый обмоткой возбуждения.
M = CMΦI
Общие способы управления ДПТ:
Зависимость частоты от момента на валу ДПТ отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абсцисс) — момент на валу ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Механическая характеристика ДПТ есть прямая, идущая с отрицательным наклоном.
Механическая характеристика ДПТ строится при определённом напряжении питания обмоток ротора. В случае построения характеристик для нескольких значений напряжения питания говорят о семействе механических характеристик ДПТ.
Зависимость частоты вращения ротора от напряжения питания обмоток ротора ДПТ, отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абсцисс) — напряжение питания обмоток ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Регулировочная характеристика ДПТ есть прямая, идущая с положительным наклоном.
Регулировочная характеристика ДПТ строится при определённом моменте, развиваемом двигателем. В случае построения регулировочных характеристик для нескольких значений момента на валу ротора, говорят о семействе регулировочных характеристик ДПТ.
Достоинства:
Недостатки :
(Последние два недостатка на современном этапе развития ДПТ почти не ощутимы).
