Двигатель постоянного тока — это электрический двигатель , который использует постоянный ток (DC) для создания механической силы. Наиболее распространенные типы основаны на магнитных силах, создаваемых токами в катушках. Почти все типы двигателей постоянного тока имеют какой-либо внутренний механизм, электромеханический или электронный, который периодически меняет направление тока в части двигателя.
Двигатели постоянного тока были первой широко используемой формой двигателей, поскольку они могли питаться от существующих систем распределения электроэнергии постоянного тока. Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать в широком диапазоне, используя либо переменное напряжение питания, либо изменяя силу тока в его обмотках возбуждения. Маленькие двигатели постоянного тока используются в инструментах, игрушках и бытовой технике. Универсальный двигатель , легкий коллекторный двигатель, используемый в портативных электроинструментах и приборах, может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Двигатели постоянного тока большей мощности в настоящее время используются в приводах электромобилей, лифтов и подъемников, а также в приводах сталепрокатных станов. Появление силовой электроники сделало возможным замену двигателей постоянного тока на двигатели переменного тока во многих приложениях.
Катушка с проволокой, по которой течет ток, создает электромагнитное поле, ориентированное по центру катушки. Направление и величина магнитного поля, создаваемого катушкой, могут изменяться в зависимости от направления и величины тока, протекающего через нее.
Простой двигатель постоянного тока имеет стационарный набор магнитов в статоре и якорь с одной или несколькими обмотками из изолированного провода, намотанными на сердечник из мягкого железа, концентрирующий магнитное поле. Обмотки обычно имеют несколько витков вокруг сердечника, а в больших двигателях может быть несколько параллельных путей тока. Концы обмотки провода соединены с коммутатором . Коммутатор позволяет по очереди подавать питание на каждую катушку якоря и соединяет вращающиеся катушки с внешним источником питания через щетки. (Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют электронику, которая включает и выключает постоянный ток на каждую катушку и не имеют щеток.)
Общая величина тока, подаваемого на катушку, размер катушки и то, вокруг чего она обернута, определяют силу создаваемого электромагнитного поля.
Последовательность включения или выключения конкретной катушки определяет, в каком направлении направлены эффективные электромагнитные поля. Последовательно включая и выключая катушки, можно создать вращающееся магнитное поле. Эти вращающиеся магнитные поля взаимодействуют с магнитными полями магнитов (постоянных или электромагнитов ) в неподвижной части двигателя (статора), создавая крутящий момент на якоре, который заставляет его вращаться. В некоторых конструкциях двигателей постоянного тока поля статора используют электромагниты для создания магнитных полей, что позволяет лучше контролировать двигатель.
При высоких уровнях мощности двигатели постоянного тока почти всегда охлаждаются принудительным воздухом.
Различное количество полей статора и якоря, а также способы их соединения обеспечивают разные характеристики регулирования скорости и крутящего момента. Скоростью двигателя постоянного тока можно управлять, изменяя напряжение, подаваемое на якорь. Переменное сопротивление в цепи якоря или цепи возбуждения позволяет контролировать скорость. Современные двигатели постоянного тока часто управляются системами силовой электроники , которые регулируют напряжение, «разбивая» постоянный ток на циклы включения и выключения, которые имеют эффективное более низкое напряжение.
Поскольку двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, его часто используют в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи . Двигатель постоянного тока в течение многих лет был основой электротяговых приводов как электрических, так и дизель-электрических локомотивов , трамваев и дизель-электрических буровых установок. Внедрение двигателей постоянного тока и электрической сети для управления оборудованием, начиная с 1870-х годов, положило начало новой второй промышленной революции . Двигатели постоянного тока могут работать непосредственно от аккумуляторных батарей, обеспечивая движущую силу первых электромобилей и современных гибридных автомобилей и электромобилей , а также приводя в движение множество аккумуляторных инструментов. Сегодня двигатели постоянного тока по-прежнему используются в таких небольших устройствах, как игрушки и дисководы, или в больших размерах для работы на сталепрокатных станах и бумагоделательных машинах. Большие двигатели постоянного тока с раздельно возбуждаемыми полями обычно использовались с приводами подъемных механизмов шахтных подъемников для обеспечения высокого крутящего момента, а также плавного регулирования скорости с помощью тиристорных приводов. Теперь они заменены большими двигателями переменного тока с приводами переменной частоты.
Если к двигателю постоянного тока прикладывается внешняя механическая энергия, он действует как генератор постоянного тока, динамо-машина . Эта функция используется для замедления и подзарядки аккумуляторов гибридных и электромобилей или для возврата электроэнергии обратно в электрическую сеть, используемую на трамвае или линии электропоезда, когда они замедляются. Этот процесс называется рекуперативным торможением на гибридных и электромобилях. В дизель-электрических локомотивах двигатели постоянного тока также используются в качестве генераторов для замедления, но рассеивания энергии в пакетах резисторов. В новых конструкциях используются большие аккумуляторные блоки для улавливания части этой энергии.
_80_degree_split_ring.gif/1280px-Ejs_Open_Source_Direct_Current_Electrical_Motor_Model_Java_Applet_(_DC_Motor_)_80_degree_split_ring.gif)
Коллекторный электродвигатель постоянного тока генерирует крутящий момент непосредственно от мощности постоянного тока, подаваемой на двигатель, с помощью внутренней коммутации, стационарных магнитов ( постоянных или электромагнитов ) и вращающихся электромагнитов.
Преимущества коллекторного двигателя постоянного тока включают низкую первоначальную стоимость, высокую надежность и простоту управления скоростью двигателя. Недостатками являются высокие эксплуатационные расходы и низкий срок службы при интенсивном использовании. Техническое обслуживание включает регулярную замену угольных щеток и пружин, по которым проходит электрический ток, а также чистку или замену коллектора . Эти компоненты необходимы для передачи электрической энергии снаружи двигателя к обмоткам вращающегося провода ротора внутри двигателя.
Щетки обычно изготавливаются из графита или углерода, иногда с добавлением дисперсной меди для улучшения проводимости. В процессе эксплуатации мягкий материал щетки изнашивается до соответствия диаметру коллектора и продолжает изнашиваться. Держатель щетки оснащен пружиной, которая поддерживает давление на щетку при ее укорочении. Для щеток, рассчитанных на силу тока более одного-двух ампер, в щетку заливается свободный провод и подсоединяется к клеммам двигателя. Очень маленькие щетки могут полагаться на скользящий контакт с металлическим щеткодержателем для подачи тока в щетку или могут полагаться на контактную пружину, прижимающую конец щетки. Щетки в очень маленьких и недолговечных двигателях, например, используемых в игрушках, могут быть изготовлены из сложенной металлической полоски, которая контактирует с коллектором.
Типичные бесщеточные двигатели постоянного тока используют один или несколько постоянных магнитов в роторе и электромагниты на корпусе двигателя в качестве статора. Контроллер двигателя преобразует постоянный ток в переменный . Эта конструкция механически проще, чем конструкция коллекторных двигателей, поскольку она устраняет сложность передачи мощности снаружи двигателя на вращающийся ротор. Контроллер двигателя может определять положение ротора с помощью датчиков Холла или подобных устройств и может точно контролировать время, фазу и т. д. тока в катушках ротора для оптимизации крутящего момента, экономии мощности, регулирования скорости и даже некоторого торможения. Преимущества бесщеточных двигателей включают длительный срок службы, минимальное техническое обслуживание или его отсутствие, а также высокую эффективность. К недостаткам относятся высокая первоначальная стоимость и более сложные регуляторы скорости двигателя. Некоторые такие бесщеточные двигатели иногда называют «синхронными двигателями», хотя у них нет внешнего источника питания для синхронизации, как в случае с обычными синхронными двигателями переменного тока.
Другие типы двигателей постоянного тока не требуют коммутации.
Двигатель с постоянными магнитами (ПМ) не имеет обмотки возбуждения на корпусе статора, вместо этого он полагается на ПМ для создания магнитного поля, с которым поле ротора взаимодействует для создания крутящего момента. Компенсационные обмотки, включенные последовательно с якорем, могут использоваться в двигателях большой мощности для улучшения коммутации под нагрузкой. Поскольку это поле фиксировано, его нельзя настроить для управления скоростью. Поля с постоянными магнитами (статоры) удобны в миниатюрных двигателях, поскольку позволяют исключить энергопотребление обмотки возбуждения. Большинство более крупных двигателей постоянного тока относятся к типу «динамо» и имеют обмотки статора. Исторически сложилось так, что ПМ нельзя было заставить сохранять высокий поток, если их разобрать; обмотки возбуждения были более практичными для получения необходимого количества потока. Однако большие ПМ дороги, а также опасны и сложны в сборке; это благоприятствует намотанным полям для больших машин.
Чтобы минимизировать общий вес и размер, в миниатюрных двигателях с постоянными магнитами могут использоваться магниты высокой энергии, изготовленные из неодима или других стратегических элементов; большинство из них представляют собой сплавы неодим-железо-бор. Благодаря более высокой плотности магнитного потока электрические машины с высокоэнергетическими ПМ по крайней мере конкурируют со всеми оптимально спроектированными синхронными и индукционными электрическими машинами с однополярным питанием. Миниатюрные двигатели напоминают конструкцию, показанную на иллюстрации, за исключением того, что они имеют как минимум три полюса ротора (чтобы обеспечить запуск независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубку, которая магнитно связывает внешние части изогнутых магнитов поля.
Для электродвигателей постоянного тока возможны три типа электрических соединений между статором и ротором: последовательное, шунтирующее/параллельное и составное (различные комбинации последовательного и шунтирующего/параллельного соединения), каждый из которых имеет уникальные характеристики скорости/крутящего момента, соответствующие различным профилям нагрузочного момента. подписи. [1]
Последовательный двигатель постоянного тока последовательно соединяет якорь и обмотки возбуждения с общим источником питания постоянного тока. Скорость двигателя изменяется как нелинейная функция момента нагрузки и тока якоря; ток является общим как для статора, так и для ротора, что приводит к квадрату тока (I ^ 2) [ нужна ссылка ] . Серийный двигатель имеет очень высокий пусковой момент и обычно используется для запуска высокоинерционных нагрузок, таких как поезда, лифты или подъемники. [2] Эта характеристика скорости/крутящего момента полезна в таких устройствах, как экскаваторы-драглайны , где землеройный инструмент движется быстро, когда он не нагружен, и медленно, когда он несет тяжелый груз.
Серийный двигатель никогда не следует запускать без нагрузки. При отсутствии механической нагрузки на последовательный двигатель ток низкий, противоэлектродвижущая сила, создаваемая обмоткой возбуждения, слаба, и поэтому якорь должен вращаться быстрее, чтобы создать достаточную противо-ЭДС для балансировки напряжения питания. Двигатель может быть поврежден из-за превышения скорости. Это называется состоянием бегства.
Серийные двигатели, называемые универсальными двигателями, могут работать на переменном токе . Поскольку напряжение якоря и направление поля одновременно меняются местами, крутящий момент продолжает создаваться в том же направлении. Однако они работают на более низкой скорости с меньшим крутящим моментом при питании переменным током по сравнению с постоянным током из-за падения напряжения реактивного сопротивления в переменном токе, которого нет в постоянном токе. [3] Поскольку скорость не зависит от частоты сети, универсальные двигатели могут развивать скорость, превышающую синхронную, что делает их легче, чем асинхронные двигатели той же номинальной механической мощности. Это ценная характеристика для ручных электроинструментов. Универсальные двигатели коммерческого назначения обычно имеют небольшую мощность, не более 1 кВт. Однако для электровозов использовались гораздо более крупные универсальные двигатели, питаемые от специальных низкочастотных тяговых сетей, чтобы избежать проблем с коммутацией при больших и переменных нагрузках.
Шунтовый двигатель постоянного тока соединяет якорь и обмотки возбуждения параллельно или шунтирует с общим источником питания постоянного тока. Этот тип двигателя имеет хорошее регулирование скорости даже при изменении нагрузки, но не имеет пускового момента, как у последовательного двигателя постоянного тока. [4] Обычно он используется в промышленных устройствах с регулируемой скоростью, таких как станки, намоточные/размоточные машины и натяжные устройства.
Составной двигатель постоянного тока соединяет якорь и обмотки возбуждения в шунтовую и последовательную комбинацию, что придает ему характеристики как шунта, так и последовательного двигателя постоянного тока. [5] Этот двигатель используется, когда требуется высокий пусковой момент и хорошее регулирование скорости. Двигатель может быть подключен двумя способами: накопительным или дифференциальным. Кумулятивные составные двигатели подключают последовательное поле для поддержки шунтирующего поля, которое обеспечивает более высокий пусковой момент, но меньшее регулирование скорости. Двигатели постоянного тока с дифференциальным соединением имеют хорошую регулировку скорости и обычно работают с постоянной скоростью.
