Rozumíme principům fungování elektromotorů: výhodám a nevýhodám různých typů. DC motor. Charakteristika a regulace

Většina strojů funguje tak, že odebírá elektrickou energii a přeměňuje ji na mechanickou energii. Zařízení, které tuto transformaci provádí, se nazývá elektromotor. Velmi oblíbené jsou stejnosměrné motory, které se pro stručnost označují zkratkou DPT. Jejich význam v našem životě nelze přeceňovat: struktura a princip fungování elektromotoru se studují i ​​ve školách při hodinách fyziky.

Základem havárie je vliv magnetického pole na vodič s proudem, který je do něj zaveden. Necháme-li vodičem protékat elektrický proud, vytvoří se magnetické pole, jehož čáry budou mít podobu soustředných kružnic se středem v tomto drátu. Chcete-li zjistit směr těchto čar, musíte použít pravidlo gimlet. Podle ní, pokud elektrický proud ve vodiči směřuje od nás k rovině obrázku, pak magnetické čáry směřují ve směru hodinových ručiček. Pokud teče z roviny směrem k nám, pak je směr čar proti směru hodinových ručiček.

Nyní si představte magnet ve tvaru oblouku. Je to znázorněno na obrázku níže. Tvoří magnetické pole a mezi severním a jižním pólem se jeho čáry řadí do rovnoběžných přímek. Navíc odcházejí ze severní a vstupují do jižní.

Nyní si představte, co se stane, když se vodič, kterým prochází elektrický proud, zavede do magnetického pole obloukového permanentního magnetu. Obrázek bude následující: na jedné straně jde směr kruhových čar magnetického pole tohoto vodiče proti čarám magnetického pole. Podle pravidla sčítání vektorů bude výsledné pole slabé. A na opačné straně se směr kruhových čar bude shodovat se směrem siločar permanentního magnetu. Proto v tomto místě bude výsledné pole silné. V důsledku různých charakteristik magnetického pole se vodič pohybuje ze silnější oblasti do slabší.

Vodič mezi póly permanentního magnetu můžete uspořádat několika způsoby. Můžete udělat severní pól horním, nebo můžete udělat jižní pól horním. Proud ve vodiči může v jednom experimentu pocházet od nás a v jiných k nám. Tyto malé detaily určují, kterým směrem bude magnetické pole tlačit vodič. A pro jeho přesné určení se u elektromotorů používá pravidlo levé ruky. Jeho význam spočívá v tom, že pokud položíte levou ruku tak, aby se čáry magnetického pole permanentního magnetu zařezávaly do dlaně a čtyři prsty se dívaly podél dráhy elektrického proudu ve vodiči, pak palec natažený o 90 stupňů bude indikovat kde se tento vodič bude odchylovat.

Pro referenci! Síla, která nutí vodič k pohybu v poli, se nazývá ampérová síla. Číselně je ekvivalentní součinu proudu v drátu a jeho délce, stejně jako vektoru magnetické indukce pole, ve kterém je tento drát umístěn. Vzorec: F=IBL.

Model DPT

Z teoretických základů je zřejmé, že pro elektromotor je přítomnost konstantního magnetického pole povinná. K tomuto účelu se u stejnosměrných motorů s nízkým výkonem používají permanentní magnety. U jednotek středního a velkého výkonu by byly potřeba velmi objemné magnety, proto se nahrazují budicím vinutím, někdy i induktorem. Prochází jimi proud a vytvářejí magnetické pole.

Elementárním modelem nehody je rovnoměrné magnetické pole, uvnitř kterého je umístěn rám. Prochází jím proud. Nejprve se otočí, a když dosáhne „horizontální“ polohy, zastaví se. Tato poloha se nazývá mrtvý střed. Rám se zastaví, protože na jedné straně proud teče v jednom směru a na druhé - v opačném směru. To znamená, že tvoří vzájemně inverzní pole. Vzájemně kompenzují své činy a pohyb se zastaví. Aby to bylo nekonečné, je potřeba další rám, propojený s prvním. Pak vždy jeden ze dvou rámů vytvoří v poli heterogenitu, která donutí celý rámový systém k pohybu.

Konstrukce a princip činnosti DPT

Konstrukce stejnosměrného motoru zahrnuje:

• Kotva– pohyblivá část motoru, jeho rotor. Vizuálně se jedná o desky nebo hřídel s drážkami, ve kterých je uložen vodič;
• Stator– statická část, která plní roli podkovového magnetu. Stator může mít více než dva póly, ale my si ukážeme činnost dvoupólového elektromotoru (obrázek níže);
• Kolektor– spínač spojující vinutí kotvy s elektrickým obvodem motoru. Nezbytné pro změnu směru proudu ve vodiči.

Nyní o tom, jak funguje stejnosměrný motor:

1. Elektrický proud je posílán podél horního vodiče kotvy, směřující k rovině vzoru;
2. Podél spodního vodiče kotvy směřuje elektrický proud z výkresu k nám;
3. Horní dráty se podle pravidla levé ruky pod vlivem Ampérovy síly pohybují doprava;
4. Spodní dráty podle stejného pravidla směřují doleva. Ale protože jsou dráty uloženy v drážkách hřídele, která spojuje všechna vinutí do jediného systému, celá kotva se dává do pohybu;
5. Když vinutí, ve kterém se elektrický proud pohybuje směrem k rovině obvodu, dosáhne spodní polohy, podle pravidla levé ruky zatlačí kotvu doleva. Proto bude pohyb hřídele zpomalen;
6. Motory jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz, proto by nemělo být povoleno brzdění kotvy. K tomu je třeba změnit směr toku elektrického proudu v okamžiku překročení mrtvého bodu. K tomuto účelu se používá sběrač.

Pozor! Kolektor mění směr proudu pouze v rámu, jehož roli hraje vinutí kotvy. Ve vnějším okruhu zůstává průtok stejný.

Typy DBT

PT motory jsou rozděleny do čtyř skupin:

1. Kolektor .
   Jsou klasifikovány podle podtypů:
   1. S jedním kolektorem a sudým počtem vinutí;
   2. S párem kolektorů a dvěma vinutími;
   3. Se třemi kolektory a stejným počtem vinutí;
   4. Se čtyřmi kolektory a dvěma vinutími;
   5. Se čtyřmi kolektory a stejným počtem vinutí kotvy;
   6. S osmi kolektory a bezrámovou armaturou.

Jedná se o výše popsaný typ elektromotoru. Jeho předností je výborné startování, nejsou potíže při couvání a regulaci otáček motoru. Mezi výhody patří také jednoduché zařízení a snadné ovládání. Má to jen jednu nevýhodu - kolektor se velmi rychle opotřebovává. A to není nejlevnější prvek motoru.

1. Střídač .

Invertorový DPT má stejné výhody jako kolektorový. Jediný rozdíl je v tom, že přepínání probíhá elektronicky přenosem informací ze snímače polohy rotoru. Proto motor získává další výhodu - nepřítomnost prvků opotřebení, díky čemuž je motor hospodárnější.

1. Unipolární DBT .

Princip činnosti takového motoru je založen na stejném vlivu magnetického pole na vodič s proudem. Ale to, co je umístěno v poli, není vinutí drátu, ale disk na ose. Proud je dodáván následovně: jeden kontakt je připojen k ose disku a druhý k jeho okraji.

1. Univerzální kolektor DPT .

Konstrukce a princip činnosti jsou podobné jako u stejnosměrného komutátorového motoru. Rozdíl je v tom, že vinutí kotvy může být napájeno ze zdroje stejnosměrného i střídavého proudu. V sítích má elektrický proud frekvenci 50 Hz. To znamená, že proud teče 50krát za sekundu v jednom směru a 50krát ve druhém. Zdá se, že kotva by se v tomto případě měla otáčet se stejnou frekvencí v jednom nebo druhém směru. Ale to se nestane, protože společný obvod motoru je zapojen do série. A pokud se změní proud v kotvě, změní se i stator. Proto je zachován směr otáčení hřídele.

DC motor,

Elektromotory poháněné stejnosměrným proudem se ve srovnání s motory poháněnými střídavým proudem používají mnohem méně často. V domácích podmínkách se v dětských hračkách používají stejnosměrné elektromotory napájené klasickými stejnosměrnými bateriemi. Ve výrobě pohánějí stejnosměrné elektromotory různé jednotky a zařízení. Jsou napájeny výkonnými bateriemi.

Konstrukce a princip činnosti

Stejnosměrné motory jsou svou konstrukcí podobné střídavým synchronním motorům, rozdíl je v typu proudu. Jednoduché demonstrační modely motorů využívaly jeden magnet a rám, kterým prochází proud. Takové zařízení bylo považováno za jednoduchý příklad. Moderní motory jsou vysoce sofistikovaná zařízení schopná vyvinout velkou sílu.

Hlavním vinutím motoru je kotva, která je napájena přes komutátorový a kartáčový mechanismus. Otáčí se v magnetickém poli tvořeném póly statoru (skříně motoru). Kotva se skládá z několika vinutí uložených v jejích drážkách a zajištěných speciální epoxidovou směsí.

Stator může sestávat z budících vinutí nebo permanentních magnetů. U motorů s nízkým výkonem se používají permanentní magnety a u motorů s vysokým výkonem je stator vybaven budicími vinutími. Stator je na koncích uzavřen kryty se zabudovanými ložisky, které slouží k otáčení hřídele kotvy. Na jednom konci této hřídele je připevněn chladicí ventilátor, který vytváří tlak vzduchu a během provozu jej cirkuluje vnitřkem motoru.

Princip činnosti takového motoru je založen na Amperově zákonu. Když umístíte drátěný rám do magnetického pole, bude se otáčet. Proud, který jím prochází, vytváří kolem sebe magnetické pole, které interaguje s vnějším magnetickým polem, což vede k rotaci rámu. V moderním designu motoru hraje roli rámu kotva s vinutím. Je jim přiváděn proud, v důsledku toho se kolem kotvy vytváří proud, který způsobuje její otáčení.

Pro střídavý přívod proudu do vinutí kotvy se používají speciální kartáče ze slitiny grafitu a mědi.

Vývody vinutí kotvy jsou spojeny do jednoho celku, nazývaného kolektor, vytvořeného ve formě prstence lamel připevněných k hřídeli kotvy. Při otáčení hřídele dodávají kartáče střídavě energii vinutí kotvy přes lamely komutátoru. V důsledku toho se hřídel motoru otáčí rovnoměrnou rychlostí. Čím více vinutí kotva má, tím rovnoměrněji bude motor pracovat.

Sestava kartáče je nejzranitelnějším mechanismem v konstrukci motoru. Během provozu se měděno-grafitové kartáče otírají o komutátor, opakují jeho tvar, a jsou k němu přitlačovány konstantní silou. Během provozu se kartáče opotřebovávají a na částech motoru se usazuje vodivý prach, který je produktem tohoto opotřebení. Tento prach je nutné pravidelně odstraňovat. Odstraňování prachu se obvykle provádí vzduchem pod vysokým tlakem.

Kartáče vyžadují periodický pohyb v drážkách a foukání vzduchem, protože nahromaděný prach může způsobit jejich uvíznutí ve vodicích drážkách. To způsobí, že kartáče budou viset nad komutátorem a způsobí poruchu motoru. Kartáče vyžadují pravidelnou výměnu kvůli opotřebení. K opotřebení komutátoru dochází také tam, kde se komutátor dotýká kartáčů. Proto se při opotřebení kotva odstraní a komutátor se otočí na soustruhu. Po drážkování komutátoru se izolace umístěná mezi lamelami komutátoru zbrousí do malé hloubky, aby neničila kartáče, protože svou pevností výrazně převyšuje sílu kartáčů.

Druh

Stejnosměrné elektromotory se dělí podle charakteru buzení.

Nezávislé buzení

U tohoto typu buzení je vinutí připojeno k externímu zdroji energie. V tomto případě jsou parametry motoru podobné motoru s permanentním magnetem. Rychlost otáčení se nastavuje odporem vinutí kotvy. Otáčky jsou řízeny speciálním regulačním reostatem připojeným k obvodu budícího vinutí. Pokud se odpor výrazně sníží nebo se obvod přeruší, proud kotvy se zvýší na nebezpečné hodnoty.

Elektromotory s nezávislým buzením se nesmí spouštět bez zátěže nebo s malou zátěží, protože jeho otáčky prudce vzrostou a motor selže.

Paralelní buzení

Budicí a rotorové vinutí jsou zapojeny paralelně k jednomu zdroji proudu. U tohoto schématu je proud budícího vinutí výrazně nižší než proud rotoru. Parametry motorů jsou příliš tuhé, lze je použít k pohonu ventilátorů a obráběcích strojů.

Řízení otáček motoru zajišťuje reostat v sériovém obvodu s budicími vinutími nebo v obvodu rotoru.

Sekvenční buzení

V tomto případě je budicí vinutí zapojeno do série s kotvou, v důsledku čehož těmito vinutími prochází stejný proud. Rychlost otáčení takového motoru závisí na jeho zatížení. Motor se nesmí startovat na volnoběh bez zatížení. Takový motor má ale slušné startovací parametry, a tak se podobný okruh používá u těžkých elektromobilů.

Smíšené vzrušení

Toto schéma zahrnuje použití dvou budicích vinutí umístěných v párech na každém pólu motoru. Tato vinutí mohou být spojena dvěma způsoby: sečtením toků nebo jejich odečtením. Díky tomu může mít elektromotor stejné charakteristiky jako motory s paralelním nebo sériovým buzením.

Aby se motor otáčel v opačném směru, změní se polarita na jednom z vinutí. Pro řízení rychlosti otáčení motoru a jeho rozběhu se používá stupňovité spínání různých rezistorů.

Vlastnosti provozu

Stejnosměrné elektromotory jsou ekologické a spolehlivé. Jejich hlavním rozdílem od střídavých motorů je schopnost nastavit rychlost otáčení v širokém rozsahu.

Takové stejnosměrné motory lze také použít jako generátor. Změnou směru proudu v budícím vinutí nebo v kotvě můžete změnit směr otáčení motoru. Otáčky hřídele motoru se nastavují pomocí proměnného odporu. U motorů se sériovým budicím obvodem je tento odpor umístěn v obvodu kotvy a umožňuje snížit rychlost otáčení 2-3krát.

Tato možnost je vhodná pro mechanismy s dlouhými prostoji, protože reostat se během provozu velmi zahřívá. Zvýšení rychlosti je vytvořeno zařazením reostatu do obvodu budícího vinutí.

U motorů s paralelním budicím obvodem se v obvodu kotvy používají také reostaty pro snížení otáček na polovinu. Pokud k obvodu budícího vinutí připojíte odpor, umožní vám to zvýšit rychlost až 4krát.

Použití reostatu je spojeno s uvolňováním tepla. Proto jsou v moderních konstrukcích motorů reostaty nahrazeny elektronickými prvky, které řídí rychlost bez nadměrného zahřívání.

Účinnost stejnosměrného motoru je ovlivněna jeho výkonem. Slabé stejnosměrné motory jsou neefektivní a mají účinnost asi 40 %, zatímco elektromotory o výkonu 1 MW mohou mít účinnost až 96 %.

Výhody stejnosměrných motorů

• Malé celkové rozměry.
• Snadné ovládání.
• Jednoduchý design.
• Možnost použití jako generátory proudu.
• Rychlý rozběh, charakteristický zejména pro motory se sekvenčním budicím obvodem.
• Možnost plynulého nastavení rychlosti otáčení hřídele.

Nedostatky

• Pro připojení a provoz je nutné zakoupit speciální stejnosměrný napájecí zdroj.
• Vysoká cena.
• Přítomnost spotřebního materiálu ve formě měděno-grafitových opotřebitelných kartáčů a opotřebovaného komutátoru, což výrazně snižuje životnost a vyžaduje pravidelnou údržbu.

Rozsah použití

Stejnosměrné motory se staly široce populárními v elektrických vozidlech. Takové motory jsou obvykle zahrnuty v následujících konstrukcích:

• Elektrická vozidla.
• Elektrické lokomotivy.
• Tramvaje.
• Elektrický vlak.
• Trolejbusy.
• Zvedací a transportní mechanismy.
• Dětské hračky.
• Průmyslová zařízení s potřebou řídit rychlost otáčení v širokém rozsahu.

Startování stejnosměrných motorů trvá od zlomků sekund až po několik desítek sekund. Vyznačují se výchozí vlastnosti

Pokud nebudou přijata opatření, může být rozběh stejnosměrného motoru doprovázen nepřijatelným skokem v proudu kotvy a prudkým nárazem na hřídel.

Takový skok způsobí jiskření pod kartáči, což může vést k rychlé destrukci komutátoru a zhorší komutaci stroje.

Aby se tomuto jevu zabránilo, spouští se DPT pomocí startovacího reostatu R p (obr. 99), který lze vypočítat na základě podmínky

Skok ve startovacím proudu v tomto případě netrvá dlouho, protože když se kotva otáčí, zpětný EMF, který se objeví, snižuje proud kotvy.

Po spuštění musí být startovací reostat (R p) zcela odstraněn ručně nebo automaticky (R p = 0).

Nízkoenergetické stejnosměrné motory lze spustit bez spouštěcího reostatu, protože mají poměrně vysoký odpor kotvy. Ve srovnání s jinými motory mají DPT nejlepší startovací vlastnosti. Mohou rozvíjet spouštění

moment M p = (2 4)M nom při rozběhovém proudu I p = (2 2,5)I jmen.

To zajišťuje rychlou akceleraci mechanismů poháněných stejnosměrnými motory.

Startovací reostat, rozdělený do sekcí, je vyroben z drátu nebo pásky s vysokým měrným odporem. Dráty

Jsou připojeny k měděným tlačítkovým nebo plochým kontaktům v místech přechodu z jedné části vinutí kotvy do druhé. Měděný kartáč otočného ramene reostatu se pohybuje po kontaktech.

Spouštění se provádí postupným snižováním odporu reostatu pohybem páky reostatu z jednoho pevného kontaktu na druhý a vypínáním sekcí.

Na Obr. 99 ukazuje schéma spouštění DPT s paralelním buzením.

+ –

A PA 1 R str

V počátečním okamžiku rozběhu je nutné vložit spouštěcí reostat (R p = max) a vyjmout reostat v budicím obvodu (R p = 0).

To je nezbytné pro vytvoření největšího magnetického toku během spouštění. Startovací reostaty jsou určeny pro 4 až 6 startů, proto je nutné zajistit, aby na konci startu byl startovací reostat R p

zcela stažena.

Reverzace DPT se provádí změnou směru točivého momentu. Toho se dosáhne buď změnou směru proudu kotvy, nebo směru toku pólů, tj. budicího proudu I in. Typicky se reverzace DPT provádí přepínáním konců vinutí kotvy.

13.5. Regulace otáček stejnosměrných motorů

Na základě vzorce pro rychlost otáčení DVT

máme tři způsoby, jak regulovat rychlost otáčení:

– reostatická regulace– provádí se změnou celkového odporu obvodu kotvy a startovacího reostatu; tato regulace je neekonomická a používá se u motorů s nízkým výkonem;

– ovládání pólu– provádí se změnou magnetický tok pólů F použití reostatu v obvodu budícího vinutí;

– regulace kotvy– provádí se změnou napětí přiváděného na kotvu motoru. Používá se hlavně pro motory s nezávislé buzení a vyžaduje speciální zdroj regulovaného napětí, zatímco spouštěcí reostat není vyžadován, protože spouštění se provádí při nízkém napětí.

Poslední metoda je široce používána v automatických řídicích systémech.

14. ELEKTRICKÝ POHON

14.1. Koncepce elektrického pohonu. Účel a rozsah

Elektrický pohon je soubor zařízení, která pohánějí výrobní mechanismy a instalace pomocí elektromotorů.

Moderní elektrický pohon je elektromechanický komplex, který kromě elektromotorů a pracovních strojů zahrnuje zařízení pro přenos pohybu z motoru na stroj (například převodovka), měniče elektřiny, ale i řídicí systémy v nejjednodušší případ reprezentovaný ovládacím zařízením start-stop a ovládacím zařízením pohonu. Ovládací zařízení navíc chrání elektromotory před přehřátím a vypíná je, když se provozní podmínky odchylují od normálu.

Řešení problémů s elektrickým pohonem spočívá v analýze provozu navrženého elektropohonu, studii proveditelnosti pro volbu typu motoru, jeho řídicího systému, výpočtu startovacích reostatů (pokud existují) a vypracování aplikace pro elektrické zařízení.

14.2. Mechanické charakteristiky a diagramy zatížení

Pro realizaci daného technologického postupu je nutné, aby točivý moment motoru překonal moment odporu výrobního mechanismu při určité rychlosti otáčení (M r = M resist). Splnění tohoto požadavku je možné pouze koordinací mechanických charakteristik elektromotoru a mechanických charakteristik pracovního stroje.

Mechanická charakteristika motoru je závislost jeho otáček na kroutícím momentu na hřídeli a mechanická charakteristika výrobního mechanismu (pracovního stroje) je závislost jeho otáček na hodnotě zatěžovacího momentu.

Na základě typu mechanických charakteristik lze hodnotit elektromechanické vlastnosti elektromotoru, tedy jeho vhodnost jako pohonu pro konkrétní pracovní stroj, neboť rovnost

(Bože můj, jak ten čas rychle letí!). Dnešní téma může zajímat málokoho, ale pokud někoho zajímá, bude pro něj velmi přínosné. Poslouchejme trudnopisaka: Napište prosím jasně o konstrukci stejnosměrných elektromotorů. Jako příklad můžete použít jeden z typů. Koneckonců, na jedné straně je princip fungování velmi jednoduchý, ale na druhé straně, pokud rozeberete jeden z elektromotorů, pak existuje mnoho dílů, jejichž účel není zřejmý. A na stránkách na začátku výsledků vyhledávání je v nejlepším případě pouze název těchto podrobností. Mám v plánu se svými dětmi sestavit jednoduchý elektromotor, aby jim pomohl pochopittechnologie a nebáli se ji ovládat.

První etapa vývoje elektromotoru (1821-1832) úzce souvisí s vytvořením fyzických zařízení pro demonstraci nepřetržité přeměny elektrické energie na mechanickou energii.

V roce 1821 M. Faraday při studiu interakce vodičů s proudem a magnetem ukázal, že elektrický proud způsobuje rotaci vodiče kolem magnetu nebo rotaci magnetu kolem vodiče. Faradayova zkušenost potvrdila zásadní možnost stavby elektromotoru.

Druhá etapa vývoje elektromotorů (1833-1860) se vyznačovala konstrukcemi s rotačním pohybem kotvy.

Thomas Davenport – americký kovář, vynálezce, v roce 1833 zkonstruoval první rotační stejnosměrný elektromotor a vytvořil jím poháněný model vlaku. V roce 1837 získal patent na elektromagnetický stroj.

V roce 1834 vytvořil B. S. Jacobi první elektrický stejnosměrný motor na světě, ve kterém implementoval princip přímého otáčení pohyblivé části motoru. Dne 13. září 1838 plul člun s 12 pasažéry po Něvě proti proudu rychlostí asi 3 km/h. Člun byl vybaven koly s lopatkami. Kola byla poháněna elektromotorem, který dostával proud z baterie 320 galvanických článků. Bylo to poprvé, co se na lodi objevil elektromotor.

Testy různých konstrukcí elektromotorů vedly B. S. Jacobiho a další výzkumníky k následujícím závěrům:

• rozšíření použití elektromotorů je přímo závislé na snížení nákladů na elektrickou energii, tj. na vytvoření generátoru, který je ekonomičtější než galvanické články;
• elektromotory by měly mít co nejmenší rozměry, vysoký výkon a vysokou účinnost;
• Etapa ve vývoji elektromotorů je spojena s vývojem konstrukcí s prstencovou nevyčnívající pólovou kotvou a téměř konstantním kroutícím momentem.

Třetí etapa vývoje elektromotorů je charakteristická objevem a průmyslovým využitím principu samobuzení, v souvislosti s nímž byl nakonec realizován a formulován princip reverzibility elektrického stroje. Elektromotory začaly být napájeny z levnějšího zdroje elektrické energie – elektromagnetického generátoru stejnosměrného proudu.

V roce 1886 získal stejnosměrný elektromotor hlavní rysy moderního designu. Následně se stále více zlepšoval.

V současné době je těžké si představit život lidstva bez elektromotoru. Používá se ve vlacích, trolejbusech, tramvajích. Závody a továrny mají výkonné elektrické stroje. Elektrické mlýnky na maso, kuchyňské roboty, mlýnky na kávu, vysavače - to vše se používá v každodenním životě a je vybaveno elektromotory.

Naprostá většina elektrických strojů funguje na principu magnetického odpuzování a přitahování. Pokud umístíte drát mezi severní a jižní pól magnetu a propustíte jím proud, bude vytlačen. Jak je to možné? Faktem je, že proud procházející vodičem vytváří kruhové magnetické pole kolem sebe po celé délce drátu. Směr tohoto pole je určen pravidlem gimlet (screw).

Když kruhové pole vodiče interaguje s rovnoměrným polem magnetu, mezi póly magnetické pole na jedné straně slábne a na druhé zesílí. To znamená, že médium se stane elastickým a výsledná síla vytlačí drát z pole magnetu pod úhlem 90 stupňů ve směru určeném pravidlem levé ruky (u generátorů se používá pravidlo pravé ruky a pravidlo ruky je vhodné pouze pro motory). Tato síla se nazývá „Ampér“ a její velikost je určena Ampérovým zákonem F=BxIxL, kde B je hodnota magnetické indukce pole; I – proud cirkulující ve vodiči; L – délka drátu.

Tento jev byl používán jako základní princip činnosti prvních elektromotorů a stejný princip se používá dodnes. Nízkoenergetické stejnosměrné motory využívají k vytvoření konstantního magnetického pole permanentní magnety. U elektromotorů středního a vysokého výkonu se pomocí budícího vinutí nebo induktoru vytváří rovnoměrné magnetické pole.

Podívejme se na princip vytváření mechanického pohybu pomocí elektřiny podrobněji. Dynamický obrázek ukazuje jednoduchý elektromotor. V rovnoměrném magnetickém poli umístíme svisle drátěný rám a procházíme jím proud. co se děje? Rám se nějakou dobu otáčí a pohybuje setrvačností, dokud nedosáhne vodorovné polohy. Tato neutrální poloha je úvratí – místem, kde je vliv pole na vodič s proudem nulový. Aby pohyb mohl pokračovat, musíte přidat alespoň jeden další snímek a zajistit, aby se směr proudu ve snímku přepnul ve správný okamžik. Tréninkové video v dolní části stránky tento proces jasně ukazuje.

Moderní stejnosměrný motor má místo jednoho rámu kotvu s mnoha vodiči uloženou v drážkách a místo permanentního podkovovitého magnetu má stator s budicím vinutím se dvěma a více póly. Na obrázku je příčný řez dvoupólovým elektromotorem. Princip jeho fungování je následující. Pokud proud pohybující se „od nás“ (označeno křížkem) prochází dráty horní části kotvy a ve spodní části - „směrem k nám“ (označeno tečkou), pak podle levé -pravidlo ruky, horní vodiče budou vytlačeny z magnetického pole statoru doleva a vodiče spodních kotevních polovin budou vytlačeny podle stejného principu doprava. Vzhledem k tomu, že měděný drát je položen v drážkách kotvy, bude na něj přenesena veškerá síla nárazu a bude se otáčet. Pak vidíte, že když se vodič se směrem proudu „od nás“ otočí dolů a postaví se naproti jižnímu pólu vytvořenému statorem, bude stlačen doleva a dojde k brzdění. Abyste tomu zabránili, musíte obrátit směr proudu ve vodiči, jakmile dojde k překročení neutrální čáry. To se provádí pomocí kolektoru - speciálního spínače, který spojuje vinutí kotvy s obecným obvodem elektromotoru.

Vinutí kotvy tak přenáší krouticí moment na hřídel elektromotoru, který zase pohání pracovní mechanismy jakéhokoli zařízení, jako je například stroj na pletivo. Přestože je v tomto případě použit střídavý indukční motor, základní princip jeho činnosti je shodný s stejnosměrným motorem - vytlačuje z magnetického pole vodič s proudem. Pouze asynchronní elektromotor má točivé magnetické pole, zatímco stejnosměrný elektromotor má pole statické.

Konstrukčně se všechny stejnosměrné elektromotory skládají z induktoru a kotvy, oddělených vzduchovou mezerou.

Induktor (stator) stejnosměrného elektromotoru slouží k vytvoření stacionárního magnetického pole stroje a skládá se z rámu, hlavního a přídavného pólu. Rám slouží k upevnění hlavního a přídavného pólu a je prvkem magnetického obvodu stroje. Na hlavních pólech jsou budicí vinutí určená k vytvoření magnetického pole stroje, na přídavných pólech je speciální vinutí, které slouží ke zlepšení spínacích podmínek.

Kotva stejnosměrného elektromotoru se skládá z magnetického systému sestaveného ze samostatných plechů, pracovního vinutí uloženého v drážkách a kolektoru, který slouží k přívodu stejnosměrného proudu do pracovního vinutí.

Sběrač je válec namontovaný na hřídeli motoru a vyrobený z měděných plátů, které jsou navzájem izolované. Komutátor má kohoutkové výstupky, ke kterým jsou připájeny konce sekcí vinutí kotvy. Proud je odebírán z komutátoru pomocí kartáčů, které zajišťují kluzný kontakt s komutátorem. Kartáče jsou upevněny v držákech kartáčů, které je drží v určité poloze a zajišťují potřebný přítlak kartáče na plochu komutátoru. Kartáče a držáky kartáčů jsou namontovány na příčném nosníku připojeném ke skříni elektromotoru.

Sběrný motor je velmi dobrý. Je zatraceně snadné a flexibilní na nastavení. Otáčky můžete zvýšit, snížit, mechanické vlastnosti jsou houževnaté, kroutící moment drží s třeskem. Závislost je přímá. No, je to pohádka, ne motor. Nebýt jedné mouchy v celé této lahodnosti - sběratel.

Jedná se o složitou, drahou a velmi nespolehlivou jednotku. Jiskří, vytváří rušení a ucpává se vodivým prachem z kartáčů. A při velkém zatížení může vzplanout, vytvořit kruhový oheň, a pak je to, motor je sešroubovaný. Vše napevno zkratuje.

Ale co je vlastně sběratel? Proč je potřeba? Výše jsem řekl, že kolektor je mechanický invertor. Jeho úkolem je přepínat napětí kotvy tam a zpět a vystavovat vinutí proudění.

Kolektor v elektrických strojích funguje jako usměrňovač střídavého proudu na stejnosměrný proud (u generátorů) a jako automatický spínač směru proudu v rotujících vodičích kotvy (u motorů).

Když magnetické pole protínají pouze dva vodiče tvořící rám, bude kolektor tvořit jediný prstenec rozřezaný na dvě části, které jsou od sebe izolované. Obecně se každý půlkroužek nazývá kolektorová deska.

Začátek a konec rámu jsou připojeny ke své vlastní sběrné desce. Kartáče jsou umístěny tak, že jeden z nich je vždy připojen k vodiči, který se bude pohybovat na severním pólu, a druhý k vodiči, který se bude pohybovat na jižním pólu.

Rýže. 2. Zjednodušený obrázek nádrže

Rýže. 3. Usměrnění střídavého proudu pomocí komutátoru

Udělejme rámu rotační pohyb ve směru hodinových ručiček. V okamžiku, kdy otočný rám zaujme polohu znázorněnou na obr. 3, A, bude se v jeho vodičích indukovat největší proud, protože vodiče křižují magnetické siločáry a pohybují se kolmo k nim.

Indukovaný proud z vodiče B ​​připojeného ke sběrné desce 2 poteče do kartáče 4 a po průchodu vnějším obvodem se kartáčem 3 vrátí do vodiče A. V tomto případě bude pravý kartáč kladný a levý kartáč záporný.

Další otáčení rámu (poloha B) opět povede k indukci proudu v obou vodičích; směr proudu ve vodičích však bude opačný, než jaký měly v poloze A. Protože se kolektorové desky budou otáčet spolu s vodiči, kartáč 4 bude opět vydávat elektrický proud do vnějšího obvodu a kartáčem 3 proud se vrátí do rámu.

Z toho vyplývá, že i přes změnu směru proudu v samotných rotujících vodičích se vlivem spínání provedeného kolektorem směr proudu ve vnějším obvodu nezměnil.

V příštím okamžiku (poloha D), když rám opět zaujme svou polohu na nulovém vedení, nebude ve vodičích a tedy ani ve vnějším obvodu opět proud.

V následujících okamžicích se uvažovaný cyklus pohybů bude opakovat ve stejném pořadí. Směr indukovaného proudu ve vnějším obvodu vlivem kolektoru tak zůstane stále stejný a zároveň zůstane stejná polarita kartáčů.

Sestava kartáče je nezbytná pro napájení cívek na rotujícím rotoru a spínání proudu ve vinutí rotoru. Kartáč - pevný kontakt (obvykle grafit nebo měď-grafit). Kartáče při vysoké frekvenci otevírají a zavírají kontaktní desky rotorového komutátoru. Výsledkem je, že během provozu DPT dochází ve vinutí rotoru k přechodovým procesům. Tyto procesy vedou k jiskření na kolektoru, což výrazně snižuje spolehlivost DPT. Pro snížení jiskření se používají různé metody, z nichž hlavní je instalace dalších pólů. Při vysokých proudech dochází v rotoru DPT k silným přechodovým procesům, v jejichž důsledku může jiskření neustále pokrývat všechny desky komutátoru, bez ohledu na polohu kartáčů. Tento jev se nazývá prstencové jiskření kolektoru nebo „kruhový oheň“. Jiskření kroužků je nebezpečné, protože všechny kolektorové desky vyhoří současně a jeho životnost se výrazně sníží. Vizuálně se prstencové jiskření objevuje ve formě světelného prstence v blízkosti kolektoru. Vliv prstencového jiskření kolektoru není přijatelný. Při navrhování pohonů jsou nastavena příslušná omezení maximálních točivých momentů (a tedy rotorových proudů) vyvinutých motorem Konstrukce motoru může mít jednu nebo více jednotek kartáč-komutátor.

Ale už je 21. století a levné a výkonné polovodiče jsou nyní na každém kroku. Proč tedy potřebujeme mechanický měnič, když jej můžeme vyrobit elektronický? Přesně tak, není potřeba! Takže vezmeme a nahradíme kolektor výkonovými spínači a také přidáme snímače polohy rotoru, abychom věděli, ve kterém okamžiku přepnout vinutí.

A pro větší pohodlí otočíme motor naruby – je mnohem snazší otočit magnetem nebo jednoduchým budicím vinutím než kotvou se vším tím harampádím na palubě. Rotor je zde buď silný permanentní magnet nebo vinutí poháněné sběracími kroužky. Což, ač vypadá jako sběratel, je daleko spolehlivější než on.

A co tím získáme? Právo! Bezkomutátorový stejnosměrný motor alias BLDC. Všechny stejné roztomilé a pohodlné vlastnosti DPT, ale bez tohoto ošklivého sběratele. A nepleťte si BLDC se synchronními motory. Jedná se o zcela odlišné stroje a mají odlišné principy činnosti a ovládání, i když konstrukčně jsou si VELMI podobné a stejný synchronizátor může bez problémů fungovat jako BLDC, přidává pouze senzory a řídicí systém. Ale to je úplně jiný příběh. více o něm.

V pokračování tématu stejnosměrného motoru je třeba poznamenat, že princip činnosti elektromotoru je založen na invertování stejnosměrného proudu v obvodu kotvy tak, aby nedocházelo k brzdění a otáčení rotoru bylo udržováno v konstantním rytmu. Pokud změníte směr proudu v budícím vinutí statoru, pak se podle pravidla levé ruky změní směr otáčení rotoru. Totéž se stane, pokud prohodíme kontakty kartáče, které napájí zdroj ze zdroje do vinutí kotvy. Pokud ale změníte „+“ „-“ tu a tam, směr otáčení hřídele se nezmění. K napájení takového motoru lze tedy v zásadě použít střídavý proud, protože proud v induktoru a kotvě se změní současně. V praxi se taková zařízení používají zřídka.

Myslím, že mnozí z vás, kteří se pletli s motory, si mohli všimnout, že mají výrazný startovací proud, kdy motor při startu může trhnout ručičkou ampérmetru např. na ampér a po zrychlení proud klesne na nějakých 200 mA. .

Proč se to děje? Takto funguje zpětné emf. Při zastaveném motoru závisí proud, který jím může procházet, pouze na dvou parametrech – napájecím napětí a odporu vinutí kotvy. Je tedy snadné zjistit maximální proud, který může motor vyvinout a pro který by měl být obvod vypočten. Stačí změřit odpor vinutí motoru a touto hodnotou vydělit napájecí napětí. Jednoduše podle Ohmova zákona. To bude maximální startovací proud.

Ale jak se zrychluje, začíná legrační věc: vinutí kotvy se pohybuje přes magnetické pole statoru a indukuje se v něm EMF jako v generátoru, ale je nasměrováno opačně než to, které otáčí motor. A v důsledku toho proud kotvou prudce klesá, čím více, tím vyšší je rychlost.

A pokud je motor dále utažen po cestě, pak bude zadní emf vyšší než přívod a motor začne pumpovat energii do systému a stane se generátorem.

Pokud jde o elektrický obvod pro zapnutí motoru, je jich několik a jsou znázorněny na obrázku. Při paralelním zapojení vinutí je vinutí kotvy vyrobeno z velkého počtu závitů tenkého drátu. Při tomto zapojení bude proud spínaný kolektorem díky vysokému odporu výrazně menší a desky nebudou moc jiskřit ani nehořít. Pokud provedete sériové zapojení vinutí induktoru a kotvy, pak je vinutí induktoru vyrobeno z drátu o větším průměru s menším počtem závitů, protože celý proud kotvy protéká statorovým vinutím. Při takových manipulacích s proporcionální změnou aktuálních hodnot a počtu otáček zůstává magnetizační síla konstantní a kvalitativní charakteristiky zařízení se zlepšují.

Dnes se stejnosměrné motory ve výrobě používají jen zřídka. Mezi nevýhody tohoto typu elektrických strojů lze zaznamenat rychlé opotřebení sestavy kartáč-kolektor. Výhody - dobré startovací vlastnosti, snadné nastavení frekvence a směru otáčení, jednoduchost konstrukce a ovládání.

V dnešní době se v průmyslových elektrických pohonech používají nezávisle buzené stejnosměrné motory řízené tyristorovými měniči Tyto pohony zajišťují regulaci otáček v širokém rozsahu. Regulace rychlosti směrem dolů od jmenovité se provádí změnou napětí na kotvě a směrem nahoru - zeslabením toku buzení. Omezení výkonu a rychlosti jsou dána vlastnostmi použitých motorů, nikoli polovodičových součástek. Tyristory mohou být zapojeny sériově nebo paralelně, pokud nejsou dostatečně vysoké. třída napětí nebo proudu. Proud a moment kotvy jsou omezeny tepelnou přetížitelností motoru.

Princip fungování:

Sestava stejnosměrného motoru PRO PODROBNOSTI:

Pro zvídavé mohu blíže prozradit nebo třeba co to je. No, jen pro ty, kteří mají žízeň - podrobnosti o . Původní článek je na webu InfoGlaz.rf Odkaz na článek, ze kterého byla vytvořena tato kopie -

Elektromotory jsou stroje, které dokážou přeměnit elektrickou energii na mechanickou energii. Podle druhu odebíraného proudu se dělí na střídavé a stejnosměrné motory. Tento článek se zaměří na ty druhé, které jsou zkráceny jako DBT. Stejnosměrné motory nás obklopují každý den. Jsou vybaveny bateriovým elektrickým nářadím, elektrickými vozidly, některými průmyslovými stroji a mnoha dalšími.

Konstrukce a princip činnosti

Struktura DFC je podobná střídavému synchronnímu elektromotoru, rozdíl mezi nimi je pouze v typu spotřebovaného proudu. Motor se skládá ze stacionární části - statoru nebo induktoru, pohyblivé části - kotvy a kartáčovo-sběrné jednotky. Induktor může být vyroben ve formě permanentního magnetu, pokud je motor nízkovýkonový, ale častěji je vybaven budicím vinutím se dvěma nebo více póly. Kotva se skládá ze sady vodičů (vinutí) upevněných v drážkách. Nejjednodušší model DFC používal pouze jeden magnet a rám, kterým procházel proud. Tento design lze považovat pouze za zjednodušený příklad, zatímco moderní design je vylepšenou verzí, která má složitější strukturu a vyvíjí potřebnou sílu.

Princip činnosti DPT je založen na Amperově zákonu: pokud je nabitý drátěný rám umístěn v magnetickém poli, začne se otáčet. Proud jím procházející vytváří kolem sebe vlastní magnetické pole, které po kontaktu s vnějším magnetickým polem začne rámem otáčet. V případě jednoho rámu bude rotace pokračovat, dokud nezaujme neutrální polohu rovnoběžnou s vnějším magnetickým polem. Chcete-li uvést systém do pohybu, musíte přidat další snímek. U moderních DPT jsou rámy nahrazeny armaturou se sadou vodičů. Do vodičů je přiváděn proud, který je nabíjí, což má za následek vznik magnetického pole kolem kotvy, které začíná interagovat s magnetickým polem budícího vinutí. V důsledku této interakce se kotva otáčí pod určitým úhlem. Dále proud teče do dalších vodičů atd.
Pro střídavé nabíjení vodičů kotvy se používají speciální kartáče z grafitu nebo slitiny mědi a grafitu. Hrají roli kontaktů, které uzavírají elektrický obvod na svorky dvojice vodičů. Všechny svorky jsou od sebe izolovány a sloučeny do kolektorové jednotky - prstence několika lamel umístěných na ose hřídele kotvy. Při chodu motoru kontaktní kartáče střídavě uzavírají lamely, což umožňuje rovnoměrné otáčení motoru. Čím více vodičů má kotva, tím rovnoměrněji bude DPT pracovat.

Stejnosměrné motory se dělí na:
— elektromotory s nezávislým buzením;
— elektromotory s vlastním buzením (paralelní, sériové nebo smíšené).
Obvod DPT s nezávislým buzením umožňuje připojení budícího vinutí a kotvy k různým zdrojům energie, takže nejsou vzájemně elektricky spojeny.
Paralelní buzení je realizováno paralelním připojením vinutí induktoru a kotvy k jednomu napájecímu zdroji. Tyto dva typy motorů mají náročné výkonové charakteristiky. Jejich rychlost otáčení pracovního hřídele nezávisí na zatížení a lze ji nastavit. Takové motory našly uplatnění ve strojích s proměnným zatížením, kde je důležité regulovat rychlost otáčení hřídele
Při sériovém buzení jsou kotva a budicí vinutí zapojeny do série, takže hodnota elektrického proudu je stejná. Takové motory jsou v provozu „měkčí“, mají větší rozsah regulace otáček, ale vyžadují konstantní zatížení hřídele, jinak může rychlost otáčení dosáhnout kritického bodu. Mají vysoký startovací moment, což usnadňuje startování, ale rychlost otáčení hřídele závisí na zatížení. Používají se v elektrických vozidlech: v jeřábech, elektrických vlacích a městských tramvajích.
Smíšený typ, ve kterém je jedno budicí vinutí připojeno k kotvě paralelně a druhé sériově, je vzácný.

Stručná historie stvoření

M. Faraday se stal průkopníkem v historii vzniku elektromotorů. Nebyl schopen vytvořit plnohodnotný pracovní model, ale byl to on, kdo učinil objev, který to umožnil. V roce 1821 provedl experiment s použitím nabitého drátu umístěného ve rtuti v lázni obsahující magnet. Při interakci s magnetickým polem se kovový vodič začal otáčet a přeměňovat energii elektrického proudu na mechanickou práci. Tehdejší vědci pracovali na vytvoření stroje, jehož provoz by byl založen na tomto efektu. Chtěli získat motor, který by fungoval na pístovém principu, tedy tak, aby se pracovní hřídel pohyboval vratně.
V roce 1834 vznikl první stejnosměrný elektromotor, který vyvinul a vytvořil ruský vědec B. S. Jacobi. Byl to on, kdo navrhl nahradit vratný pohyb hřídele jeho rotací. V jeho modelu se dva elektromagnety vzájemně ovlivňovaly a otáčely hřídelí. V roce 1839 úspěšně otestoval loď vybavenou DPT. Další historie této pohonné jednotky je v podstatě vylepšením motoru Jacobi.

Vlastnosti DBT

Stejně jako ostatní typy elektromotorů je DPT spolehlivý a ekologický. Na rozdíl od střídavých motorů jej lze nastavit v širokém rozsahu otáček a frekvence hřídele a snadno se spouští.
Stejnosměrný motor lze použít jako motor i jako generátor. Je také možné změnit směr otáčení hřídele změnou směru proudu v kotvě (u všech typů) nebo v budícím vinutí (u motorů se sekvenčním buzením).
Řízení rychlosti otáčení je dosaženo připojením proměnného odporu k obvodu. Se sekvenčním buzením je umístěn v obvodu kotvy a umožňuje snížit otáčky v poměrech 2:1 a 3:1. Tato možnost je vhodná pro zařízení, která mají dlouhou dobu nečinnosti, protože reostat se během provozu výrazně zahřívá. Zvýšení otáček je zajištěno připojením reostatu k obvodu budícího vinutí.
U paralelně vinutých motorů se v obvodu kotvy používají také reostaty pro snížení otáček v rozmezí 50 % jmenovitých hodnot. Nastavení odporu v obvodu budícího vinutí umožňuje zvýšit rychlost až 4x.
Použití reostatů je vždy spojeno s výraznými tepelnými ztrátami, proto jsou u moderních modelů motorů nahrazeny elektronickými obvody, které umožňují regulaci otáček bez výrazných energetických ztrát.
Účinnost stejnosměrného motoru závisí na jeho výkonu. Nízkopříkonové modely jsou nízkoúčinné, s účinností kolem 40 %, zatímco 1000 kW motory mohou mít účinnost až 96 %.

Výhody a nevýhody DBT

Mezi hlavní výhody stejnosměrných motorů patří:
— jednoduchost designu;
— snadná obsluha;
— schopnost regulovat rychlost otáčení hřídele;
— snadné startování (zejména u motorů se sekvenčním buzením);
— možnost použití jako generátory;
- kompaktní rozměry.
nedostatky:
- mají „slabý článek“ - grafitové kartáče, které se rychle opotřebovávají, což omezuje jejich životnost;
- vysoké náklady;
— při připojení k síti vyžadují usměrňovače proudu.

Rozsah použití

Stejnosměrné motory jsou široce používány v dopravě. Instalují se do tramvají, elektrických vlaků, elektrických lokomotiv, parních lokomotiv, motorových lodí, sklápěčů, jeřábů atd. Kromě toho se používají v nástrojích, počítačích, hračkách a pohyblivých mechanismech. Často se s nimi můžeme setkat na výrobních strojích, kde je potřeba regulovat otáčky pracovního hřídele v širokém rozsahu.