Двигатель постоянного тока — это электродвигатель , 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 некий внутренний механизм, электромеханический или электронный, для периодического изменения направления тока в части двигателя.
Двигатели постоянного тока были первой формой широко используемых двигателей, поскольку они могли питаться от существующих систем распределения электроэнергии постоянного тока для освещения. Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать в широком диапазоне, используя либо переменное напряжение питания, либо изменяя силу тока в его обмотках возбуждения. Небольшие двигатели постоянного тока используются в инструментах, игрушках и бытовых приборах. Универсальный двигатель , легкий щеточный двигатель, используемый для переносных электроинструментов и приборов, может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Более крупные двигатели постоянного тока в настоящее время используются в качестве двигателей электромобилей, лифтов и подъемников, а также в приводах для сталепрокатных станов. Появление силовой электроники сделало возможной замену двигателей постоянного тока на двигатели переменного тока во многих приложениях.
Катушка провода с током, текущим по ней, генерирует электромагнитное поле, выровненное по центру катушки. Направление и величина магнитного поля, создаваемого катушкой, могут быть изменены направлением и величиной тока, протекающего через нее.
Простой двигатель постоянного тока имеет неподвижный набор магнитов в статоре и якорь с одной или несколькими обмотками изолированного провода, намотанного вокруг мягкого железного сердечника, который концентрирует магнитное поле. Обмотки обычно имеют несколько витков вокруг сердечника, и в больших двигателях может быть несколько параллельных путей тока. Концы обмотки провода подключены к коммутатору . Коммутатор позволяет подавать питание на каждую катушку якоря по очереди и соединяет вращающиеся катушки с внешним источником питания через щетки. (Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют электронику, которая включает и выключает постоянный ток для каждой катушки и не имеют щеток.)
Общая величина тока, подаваемого на катушку, размер катушки и то, вокруг чего она намотана, определяют силу создаваемого электромагнитного поля.
Последовательность включения или выключения определенной катушки определяет направление эффективных электромагнитных полей. Включая и выключая катушки последовательно, можно создать вращающееся магнитное поле. Эти вращающиеся магнитные поля взаимодействуют с магнитными полями магнитов (постоянных или электромагнитов ) в неподвижной части двигателя (статоре), создавая крутящий момент на якоре, который заставляет его вращаться. В некоторых конструкциях двигателей постоянного тока поля статора используют электромагниты для создания своих магнитных полей, что позволяет лучше контролировать двигатель.
При высоких уровнях мощности двигатели постоянного тока почти всегда охлаждаются с помощью принудительной подачи воздуха.
Различное количество полей статора и якоря, а также то, как они соединены, обеспечивают различные присущие им характеристики регулирования скорости и крутящего момента. Скорость двигателя постоянного тока можно контролировать, изменяя напряжение, приложенное к якорю. Переменное сопротивление в цепи якоря или цепи поля позволяет контролировать скорость. Современные двигатели постоянного тока часто управляются системами силовой электроники , которые регулируют напряжение, «разрезая» постоянный ток на циклы включения и выключения, которые имеют эффективное более низкое напряжение.
Поскольку двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением развивает самый высокий крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых приложениях, таких как электровозы и трамваи . Двигатель постоянного тока был основой электрических тяговых приводов как на электрических, так и на дизель-электрических локомотивах , трамваях и дизель-электрических буровых установках в течение многих лет. Внедрение двигателей постоянного тока и системы электросетей для работы машин, начиная с 1870-х годов, положило начало новой второй промышленной революции . Двигатели постоянного тока могут работать непосредственно от перезаряжаемых батарей, обеспечивая движущую силу для первых электромобилей и современных гибридных автомобилей и электромобилей , а также приводя в действие множество беспроводных инструментов. Сегодня двигатели постоянного тока по-прежнему встречаются в таких небольших приложениях, как игрушки и дисководы, или в больших размерах для управления сталепрокатными станами и бумагоделательными машинами. Большие двигатели постоянного тока с раздельно возбуждаемыми полями обычно использовались с приводами намотчиков для шахтных подъемников , для высокого крутящего момента, а также плавного регулирования скорости с помощью тиристорных приводов. Теперь их заменяют большие двигатели переменного тока с частотно-регулируемыми приводами.
Если внешняя механическая мощность применяется к двигателю постоянного тока, он действует как генератор постоянного тока, динамо . Эта функция используется для замедления и подзарядки батарей в гибридных и электрических автомобилях или для возврата электроэнергии обратно в электрическую сеть, используемую в трамвае или линии электропоезда, когда они замедляются. Этот процесс называется рекуперативным торможением в гибридных и электрических автомобилях. В дизель-электрических локомотивах они также используют свои двигатели постоянного тока в качестве генераторов для замедления, но рассеивают энергию в резисторных стеках. Более новые конструкции добавляют большие аккумуляторные батареи для повторного захвата 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 из постоянного тока, подаваемого на двигатель, с помощью внутренней коммутации, неподвижных магнитов ( постоянных или электромагнитов ) и вращающихся электромагнитов.
Преимущества щеточного двигателя постоянного тока включают низкую начальную стоимость, высокую надежность и простоту управления скоростью двигателя. Недостатки — высокие требования к обслуживанию и короткий срок службы при интенсивном использовании. Техническое обслуживание включает регулярную замену угольных щеток и пружин, которые переносят электрический ток, а также очистку или замену коммутатора . Эти компоненты необходимы для передачи электроэнергии извне двигателя на вращающиеся обмотки ротора внутри двигателя.
Щетки обычно изготавливаются из графита или углерода, иногда с добавлением диспергированной меди для улучшения проводимости. В процессе использования мягкий материал щетки изнашивается, чтобы соответствовать диаметру коллектора, и продолжает изнашиваться. Щеточный держатель имеет пружину, чтобы поддерживать давление на щетку по мере ее укорачивания. Для щеток, предназначенных для переноса тока более одного-двух ампер, в щетку будет впрессован гибкий вывод, который будет подключен к клеммам двигателя. Очень маленькие щетки могут полагаться на скользящий контакт с металлическим щеткодержателем для переноса тока в щетку или могут полагаться на контактную пружину, нажимающую на конец щетки. Щетки в очень маленьких, недолговечных двигателях, таких как те, что используются в игрушках, могут быть изготовлены из сложенной полоски металла, которая контактирует с коллектором.
Типичные бесщеточные двигатели постоянного тока используют один или несколько постоянных магнитов в роторе и электромагниты на корпусе двигателя для статора. Контроллер двигателя преобразует постоянный ток в переменный . Такая конструкция механически проще, чем у щеточных двигателей, поскольку она устраняет сложность передачи мощности извне двигателя к вращающемуся ротору. Контроллер двигателя может определять положение ротора с помощью датчиков Холла или аналогичных устройств и может точно контролировать синхронизацию, фазу и т. д. тока в катушках ротора для оптимизации крутящего момента, экономии энергии, регулирования скорости и даже применения некоторого торможения. Преимущества бесщеточных двигателей включают длительный срок службы, незначительное или отсутствующее обслуживание и высокую эффективность. Недостатки включают высокую начальную стоимость и более сложные контроллеры 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 статоре, вместо этого он полагается на ПМ для обеспечения магнитного поля, с которым взаимодействует поле ротора для создания крутящего момента. Компенсационные обмотки последовательно с якорем могут использоваться на больших двигателях для улучшения коммутации под нагрузкой. Поскольку это поле фиксировано, его нельзя регулировать для управления скоростью. Поля ПМ (статоры) удобны в миниатюрных двигателях для устранения энергопотребления обмотки возбуждения. Большинство более крупных двигателей постоянного тока относятся к типу «динамо», которые имеют обмотки статора. Исторически сложилось так, что ПМ не могли удерживать высокий поток, если они были разобраны; 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, миниатюрные двигатели PM могут использовать высокоэнергетические магниты, изготовленные из неодима или других стратегических элементов; большинство из них представляют собой сплав неодима, железа и бора. Благодаря более высокой плотности потока электрические машины с высокоэнергетическими PM, по крайней мере, конкурентоспособны со всеми оптимально спроектированными синхронными и индукционными электрическими машинами с одиночным питанием. Миниатюрные двигатели напоминают конструкцию на иллюстрации, за исключением того, что они имеют по крайней мере три полюса ротора (для обеспечения запуска, независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубку, которая магнитно связывает внешние части изогнутых полевых магнитов.
Для электродвигателей постоянного тока возможны три типа электрических соединений между статором и ротором: последовательное, параллельно-шунтовое и смешанное (различные сочетания последовательного и параллельно-шунтового соединений), и каждое из них имеет уникальные характеристики скорости/крутящего момента, соответствующие различным профилям/сигнатурам крутящего момента нагрузки. [1]
Последовательный двигатель постоянного тока соединяет обмотки якоря и возбуждения последовательно с общим источником постоянного тока. Скорость двигателя изменяется как нелинейная функция крутящего момента нагрузки и тока якоря; ток является общим как для статора, так и для ротора, что дает квадрат тока (I^2) [ требуется ссылка ] . Последовательный 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 приложениях, как драглайновые экскаваторы , где инструмент для копания движется быстро, когда он не нагружен, но медленно, когда несет тяжелый груз.
Последовательный двигатель никогда не следует запускать без нагрузки. При отсутствии механической нагрузки на последовательный двигатель ток мал, противоэлектродвижущая сила, создаваемая обмоткой возбуждения, слаба, и поэтому якорь должен вращаться быстрее, чтобы создать достаточную противоэлектродвижущую силу для уравновешивания напряжения питания. Двигатель может быть поврежден из-за превышения скорости. Это называется состоянием разгона.
Последовательные двигатели, называемые универсальными двигателями, могут использоваться на переменном токе . Поскольку напряжение якоря и направление поля меняются одновременно, крутящий момент продолжает создаваться в том же направлении. Однако они работают на более низкой скорости с более низким крутящим моментом при подаче переменного тока по сравнению с постоянным током из-за падения напряжения реактивного сопротивления в переменном токе, которого нет в постоянном токе. [3] Поскольку скорость не связана с частотой сети, универсальные двигатели могут развивать более высокие, чем синхронные, скорости, что делает их легче асинхронных двигателей той же номинальной механической мощности. Это ценная характеристика для ручных электроинструментов. Универсальные двигатели для коммерческого использования 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.
Шунтовой двигатель постоянного тока соединяет обмотки якоря и возбуждения параллельно или шунтирует с общим источником постоянного тока. Этот тип двигателя имеет хорошую регулировку скорости даже при изменении нагрузки, но не имеет пускового момента последовательного двигателя постоянного тока. [4] Обычно он используется для промышленных применений с регулируемой скоростью, таких как станки, намоточные/размоточные машины и натяжители.
Компаундный двигатель постоянного тока соединяет обмотки якоря и поля в шунтовой и последовательной комбинации, что придает ему характеристики как шунтового, так и последовательного двигателя постоянного тока. [5] Этот двигатель используется, когда требуются как высокий пусковой момент, так и хорошее регулирование скорости. Двигатель может быть подключен двумя способами: кумулятивно или дифференциально. Кумулятивные компаундные двигатели соединяют последовательное поле, чтобы помочь шунтовому полю, что обеспечивает более высокий пусковой момент, но меньшее регулирование скорости. Дифференциальные компаундные двигатели постоянного тока имеют хорошее регулирование скорости и обычно работают на постоянной скорости.
