Двигун постійного струму пристрій і принцип дії, конструкція і управління, застосування дпт
Зміст
- Принцип дії двигуна постійного струму
- Особливості та пристрій ДПТ
- Історія винаходу
- конструкція двигуна
- Принцип дії і використання
- Налаштування швидкості
- сучасне застосування
Пристрій, який перетворює електричну енергію в механічну, може використовуватися як двигун або генератор, так як конструкція і принцип дії двигуна постійного струму (ДПС) аналогічна конструкції генератора. Особливістю ДПТ є механічний інвертор (комутатор). Цей комутатор має ковзаючі контакти у вигляді щіток, які розташовані так, що вони змінюють полярність обмоток якоря (котушок) під час обертального руху.
Особливості та пристрій ДПТ
ДПТ є обертову електричну машину, що працює від постійного струму. Залежно від напрямку потоку потужності проводиться відмінність між двигуном (електродвигун з електричної і механічної потужністю) і генератором (електричний генератор, на який подається механічна потужність, а також електроенергія). ДПТ можуть запускатися під навантаженням, їх швидкість легко змінити. У режимі генератора ДПТ перетворює напругу змінного струму, Що подається ротором, в пульсуюче постійна напруга.
Історія винаходу
Грунтуючись на розвиток перших гальванічних елементів в першій половині XIX століття, першими електромеханічними перетворювачами енергії були машини постійного струму. Первісна форма електродвигуна була розроблена в 1829 році, а в 1832 році француз Іполит Пікс побудував перший генератор. Антоніо Пачінотті побудував в 1860 році електродвигун постійного струму з багатокомпонентним комутатором. Фрідріх фон Хефнер-Алтенек розробив барабанний якір в 1872 році, який відкрив можливість промислового використання в області великомасштабного машинобудування.
У наступні десятиліття такі машини через розвиток трифазного змінного струму втратили свою значимість в великомасштабному машинобудуванні. Синхронні машини і системи з низьким рівнем обслуговування асинхронного двигуна замінили їх у багатьох пристроях.
конструкція двигуна
Щоб зрозуміти принцип дії ДПТ, потрібно спочатку вивчити його конструктивні особливості, однією з яких є те, що в магнітному полі постійного магніту встановлений обертовий проводить контур.
Спрощуючи цю структуру, можна сказати, що двигун складається з двох основних компонентів:
- Основний магніт (постійний магніт), який прикріплений до статора. Магнітне поле також може бути електрично згенеровано. На статорі знаходяться так звані збуджуючі обмотки (котушки).
- Провідна петля (арматура) на осерді якоря, зазвичай складається з шаруватих металевих листів.
Обидві конструкції називаються двигунами постійного струму з зовнішнім збудженням. Електродинамічний закон вказує, що струмопровідна петля провідника в магнітному полі є силою [F], що залежить від струму [I] і напруженості магнітного поля [B]. Струмопровідний провідник оточений круговим магнітним полем. Якщо об’єднати магнітне поле магнітного поля з магнітним полем проводить петлі, можна виявити суперпозицію двох полів, а також результуючий силовий ефект.
Обмотка якоря складається з двох половин котушки. Якщо застосувати напруга постійного струму на двох кінцях обмотки якоря, можна уявити, що рухаються носії заряду надходять в нижню половину котушки з верхньої половини котушки.
Кожна токопроводящая котушка розвиває власне магнітне поле, і магнітне поле постійного магніту накладається на магнітне поле нижньої половини котушки і поле верхньої половини котушки. Лінії поля постійного магнітного поля завжди одного напрямку, Вони завжди показують з півночі на південний полюс. Навпаки, поля двох половин котушки мають протилежні напрямки.
У лівій частині поля половини котушки польові лінії поля збудника і поля котушки мають один і той же напрямок. Завдяки цьому силовому ефекту в протилежному напрямку на нижньому і верхньому кінцях арматури створюється крутний момент, який викликає обертальний рух якоря.
Якір являє собою так званий двотавровий якір. Ця конструкція отримала назву через свою форми, яка нагадує два складових «Т». Котушки якоря з’єднані з платами комутатора (колектора). Подача струму в обмотці якоря зазвичай здійснюється через вугільні щітки, які забезпечують ковзний контакт з обертовим комутатором і подають котушок електрику. Щітки виготовляються з самозмащувальних графітів, частково змішаних з мідним порошком для невеликих двигунів.
Принцип дії і використання
Це пристрій являє собою електромашини, яка перетворює електричну енергію в механічну. Принцип роботи двигуна постійного струму полягає в тому, що всякий раз, коли провідник, стерпний струмом, поміщається в магнітне поле, він відчуває механічну силу.
Постійний магніт перетворює електричну енергію в механічну через взаємодію двох магнітних полів. Одне поле створюється складанням постійними магнітами, інше – електричним струмом, що протікає в обмотках двигуна. Ці два поля призводять до крутного моменту, який має тенденцію обертати ротор. Коли ротор обертається, ток в обмотках комутується, забезпечуючи безперервний вихід крутного моменту.
Комутатор складається з провідних сегментів (стрижнів) з міді, які представляють собою завершення окремих котушок дроту, розподілених навколо арматури. Друга половина механічного вимикача комплектується щітками. Ці щітки зазвичай залишаються нерухомими з корпусом двигуна.
У міру проходження електричної енергії через щітки і арматуру створюється крутильна сила у вигляді реакції між полем двигуна і якорем, що викликає поворот якоря двигуна. Коли арматура повертається, щітки переключаються на сусідні смуги на комутаторі. Ця дія переносить електричну енергію на сусідню обмотку і якір.
Рух магнітного поля досягається перемиканням струму між котушками всередині двигуна. Ця дія називається комутацією. Дуже багато двигуни мають вбудовану комутацію. Це означає, що при обертанні двигуна механічні щітки автоматично коммутируют котушки на роторі.
Налаштування швидкості
ДПТ можна легко регулювати. Швидкість можна змінити за допомогою наступних змінних:
- Напруга якоря U_A (управління напругою).
- Основний потік поля (польове управління), сила магнітного поля.
- Анкерне опір.
Найпростішим методом керування швидкістю обертання є управління приводним напругою. Чим вище напруга, тим вище швидкість, яку двигун намагається досягти. У багатьох додатках просте регулювання напруги може привести до великих втрат потужності в ланцюзі управління, тому широко використовується метод широтно-імпульсної модуляції.
В основному способі з широтно-імпульсною модуляцією робоча потужність включається і вимикається для модуляції струму. Ставлення часу включення до «виключеному» часу визначає швидкість двигуна.
Електродвигун із зовнішнім збудженням легко контролювати, оскільки струми через обмотки якоря і статора можна контролювати окремо. Тому такі двигуни мали певне значення, особливо в області високо динамічних приводних систем, наприклад, для приводу верстатів з точним регулюванням швидкості і крутного моменту.
сучасне застосування
ДПТ використовуються в різних областях.
Він є важливим елементом в різних продуктах:
- іграшках;
- сервомеханіческіх пристроях;
- приводах клапанів;
- роботах;
- автомобільній електроніці.
Високоякісні предмети повсякденного призначення (кухонні прилади) використовують серводвигун, відомий як універсальний двигун. Ці універсальні двигуни є типовими ДПТ, в яких стаціонарні і обертові котушки є послідовними дроти.
Пристрій електродвигуна. Як він працює? — E-Motors
4 жовтня 2021
Електродвигун — пристрій, який займається перетворенням електроенергії на механічну. Він працює, використовуючи принцип електромагнітної індукції. Останнім часом він все сильніше популяризується на автомобільному ринку як перспективний напрямок розвитку автопромисловості. Тому є сенс докладніше ознайомитись із пристроєм електромобіля, його двигуна, за яким може бути майбутнє галузі.
Принцип роботи та пристрій:
Електродвигун включає статор і ротор. Магнітне поле в статорі, що обертається, діє на обмотку ротора і наводить в ньому струм індукції, виникає крутний момент, який приводить в рух ротор. Електроенергія, що надходить на обмотки двигуна, перетворюється на механічну енергію обертання.
Завдяки розвитку технології електродвигуни знайшли застосування у різних галузях, наприклад, автомобілебудуванні. Причому вони можуть використовуватися або окремо, або разом з двигуном внутрішнього згоряння (ДВС). Останній варіант – гібридні авто.
Від електродвигунів, які застосовуються на виробництвах, агрегат для авто відрізняється малими габаритами, але підвищеною потужністю. До того ж, сучасні розробки все більше віддаляють двигуни для автомобілів від інших подібних пристроїв. Характеристиками електромобілів є не тільки показники потужності, моменту, що крутить, але і частота обертання, струм і напруга. Оскільки від цих даних залежить пересування та обслуговування авто.
Щоб краще розібратися в різноманітті, яке нам дарує авторинок, варто розглянути види електродвигунів для електромобілів.
Їх можна умовно класифікувати за типом струму:
пристрої змінного струму;
конструкції постійного струму;
рішення універсального зразка (здатні функціонувати від постійного та змінного струму).
асинхронні – швидкість обертання магнітного поля статора вище за швидкість обертання ротора;
синхронні – частоти обертання магнітного поля статора та ротора збігаються.
З урахуванням використовуваної кількості фаз електричні пристрої поділяють на: одно-, дво-, трифазні.
Якщо навести реальні зразки, які використовуються відомими автовиробниками, то гарний приклад застосування трифазного агрегату асинхронного типу Volt від Chevrolet. Він є гібридним автомобілем. Приклад трифазного синхронного двигуна – i-MiEV від Mitsubishi. А цей автомобіль є виключно електричним.
Слід зазначити, що у різних виробників різні двигуни, що відрізняються масою, потужністю, габаритами та іншими параметрами.
Є ще одна класифікація – за конструкцією щітково-колекторного вузла. Такі агрегати бувають:
Безколекторні. Є замкнутою системою, до якої входять: перетворювач координат, інвертор і сповіщувач положення.
Колекторні. Щіточно-колекторний вузол відіграє роль такої конструкції одночасно і сповіщувача положення ротора, і перемикача струму в обмотках. В основному використовується струм постійної частоти.
колекторний роторРотор електродвигуна
У конструкціях електромобілів часто використовуються колекторні двигуни, але є приклади і з іншими моделями. Як варіант — автомобіль «Санрейсер», в якому встановлений безколекторний двигун від компанії General Motors. При масі 3,6 кг його ККД становить 92%.
Не можна не відзначити ще один тип двигуна, який використовується у деяких сучасних моделях авто. Це система мотор-колесо. Приклад – спорт-кар Volage. У такій конструкції передбачено можливість регенерації енергії гальмування. Для цього використається тяговий двигун Active Wheel. Він важить всього 7 кг, що дозволяє досягти прийнятної маси колеса — 11 кг.
Найпоширенішою сьогодні конструкцією є рішення з живленням від акумуляторної батареї. Вона потребує регулярної зарядки, здатної реалізуватися за рахунок зовнішніх джерел, генератора в конструкції та рекуперації енергії гальмування. Генератор діє від ДВС, тому така схема роботи вже не належить до суто електричних. Подібні машини називають гібридними.
Переваги та недоліки електродвигунів
Виділимо переваги електричних агрегатів:
високий коефіцієнт корисної дії – до 95 відсотків;
компактність, мала вага;
простота використання;
екологічність;
довговічність;
створюється максимальний показник моменту, що крутить, на будь-якій відмітці швидкості;
повітряне охолодження;
здатні функціонувати як генератора;
не потрібна коробка передач;
Як приклад успішної розробки моделі з високими характеристиками можна навести мотор від Yasa Motors. Інженери компанії створили агрегат, який при вазі 25 кг здатний видавати до 650 Нм моменту, що крутить.
Що ж до недоліків безпосередньо електродвигуна, їх немає. Більше питань викликає живлення агрегату, що, власне, гальмує поширення, широке використання технології. Тому зараз більшою популярністю користуються гібридні автомобілі, ніж електромобілі. Завдяки такій схемі збільшується запас ходу, можна використовувати менш потужні і дорогі акумуляторні батареї.
Пристрій електромобіля
Якщо порівнювати електромобіль з авто, де використовується ДВС, він характеризується більш простою схемою, мінімальним числом елементів, що рухаються. Отже, таке рішення є надійнішим.
Головні складові електромобіля:
безпосередньо електродвигун;
живлення акумуляторна батарея різної ємності, яка пов’язана з потужністю двигуна;
спрощена трансмісія;
інвертор;
зарядний пристрій на борту;
електронна система керування елементами конструкції;
перетворювач.
Живлення двигуна в цій схемі організовує, звичайно ж, тягова акумуляторна батарея. Найчастіше задіюється літій-іонний тип, що включає кілька модулів, підключених послідовно. На виході акумулятора формується напруга від 300 (В) постійного струму. Це значення визначається моделлю авто. Сучасні зразки здатні створювати 700 В. Приклад – автомобілі Lola-Drayson, розроблені для гонок. Вони оснащуються батареями напругою 700 (В) та ємністю 60 кВт⋅год.
Для коректної взаємодії ємність батареї підбирається з урахуванням потужності двигуна. Цей показник у переважній більшості конструкцій становить від 15 до 200 (кВт). Якщо порівняти електричний двигун з ДВС, то перший ККД становить 95%, а й другого – 25%. Різниця суттєва.
Є приклади у автомобілебудуванні, як у конструкції використовується кілька агрегатів. Вони можуть рухати певні колеса. Такий принцип організації дає змогу збільшити тягову потужність авто. Двигун, інтегрований у колесо, має масу переваг, однак такий пристрій тягового електродвигуна характеризується погіршеною керованістю транспортного засобу. Тому розробники продовжують активну діяльність у цьому напрямі.
електродвигун із редукторомЕлектродвигун із редуктором (вид знизу)
Що стосується трансмісії, то електромобіль має спрощений вигляд. Багато конструкцій оснащені одноступінчастим редуктором. Завдяки інвертору відбувається перетворення високої напруги постійного струму батареї. За рахунок наявності у конструкції бортового зарядного пристрою гарантується заряджання акумулятора від електромережі побутового призначення.
Забезпеченням заряджання додаткової батареї на 12 (В) займається перетворювач. Ця батарея задіюється як живильний елемент різних пристроїв транспортного засобу:
аудіосистеми;
клімат-контролю;
освітлення;
опалювальної системи;
інших елементів.
Система управління організовує такі процеси:
моніторинг використовуваної енергії;
керування рекуперацією енергії гальмування;
оцінка рівня заряду;
керування динамікою руху;
забезпечення необхідного режиму переміщення транспортного засобу;
регулювання тяги;
керування напругою.
Система поєднує блок керування, датчики та інші елементи інших систем авто. Завдяки датчикам оцінюється рівень тиску в гальмівній системі, розряду батареї, а також положення селектора перемикання передач, гальмівної педалі та педалі газу. За даними цих пристроїв, забезпечується оптимальне переміщення електромобіля з урахуванням поточних умов. На панелі приладів зазвичай відображаються головні характеристики функціонування тс.
Витрати на утримання електромобіля найчастіше нижчі, ніж авто з ДВС, особливо в тих державах, де вартість електроенергії низька.
Рассказать
Поделиться
Поділитися
Поділитися
Новий коментар
Увійти за допомогою
Надіслати
Каков принцип работы электродвигателей?
Подсказка: Принцип работы электродвигателя основан на том, что при движении заряда под действием магнитного поля на заряд действует сила. Мерой этой силы является сила Лоренца. Поток заряда из одной точки в другую называется током.
Полный ответ:
Принцип действия: Электродвигатель представляет собой вращающееся устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, мера которой определяется силой Лоренца, а направление определяется правилом левой руки Флеминга.
Сила Лоренца говорит, что когда заряд движется под действием магнитного поля, сила, обусловленная действием магнитного поля на заряд, определяется выражением \[\vec F = q\vec v \times \vec B\] где \[q\] — заряд каждой частицы (в основном электрона), \[\vec v\] — скорость заряда и \[\vec B\] — приложенное магнитное поле, теперь мы знаем, что ток есть не что иное, как заряд, проходящий за время через проводник.
Итак, заряд, проходящий за одну секунду, равен \[Q = qs\], где \[s\] — перемещение каждого заряда за одну секунду. Так что это не что иное, как ток. Итак, ток через проводник будет \[I = qv\]. Следовательно, мера силы, действующей на проводник с током, будет \[\vec F = \vec I \times \vec B\]. Итак, эта сила перпендикулярна направлению тока и магнитного поля. Это направление силы легко обнаружить по правилу левой руки Флеминга.
Конструкция: Электродвигатель состоит из следующих частей:
— Блок питания
— Магниты
— Прямоугольная катушка
— Разрезные кольца (как коллектор)
— Щетки
Электродвигатель состоит из прямоугольной катушки $ABCD$ из изолированного медного провода. Катушка состоит из большого количества витков и намотана на сердечник из мягкого железа. Катушка помещается между двумя полюсами магнитного поля так, чтобы плечи $AB$ и $CD$ были перпендикулярны направлению магнитного поля.
Концы катушки соединены с двумя полукольцами ${R_1}$ и ${R_2}$, называемыми разрезными кольцами. Внутренние стороны разрезных колец изолированы и прикреплены к оси. Внешние проводящие ребра ${R_1}$ и ${R_2}$ касаются двух проводящих стационарных угольных щеток ${B_1}$ и ${B_2}$ соответственно.
Рабочий: Ток в катушке $ABCD$ поступает от батареи-источника через проводящую щетку ${B_2}$ и возвращается к батарее через щетку ${B_1}$. Ток в плече $AB$ катушки течет из $B$ в $A$, а в плече $CD$ — из $D$ в $C$, т. е. противоположно направлению тока через плечо AB. т. е. ток течет по пути $DCBA$.
Применяя правило левой руки Флеминга, получаем, что сила, действующая на плечо $AB$, толкает его вверх, а сила, действующая на плечо $CD$, толкает его вниз. Следовательно, катушка и ось, установленные с возможностью свободного вращения вокруг оси, начинают вращаться. Когда катушка совершает половинный оборот, ${R_2}$ касается щетки ${B_1}$, а ${R_1}$ — щетки ${B_2}$.
Таким образом, ток в катушке меняет направление течения по пути $ABCD$. В результате направления сил, действующих на два плеча $AB$ и $CD$, также меняются на противоположные. Плечо $AB$ катушки, которое раньше было опущено, теперь поднимается вверх. За счет этого направление вращения катушки остается прежним. Изменение направления тока повторяется после каждого полуоборота, что приводит к непрерывному вращению катушки и оси.
Примечание: Термины «электродвигатель» и «электрогенератор» звучат одинаково, но они совершенно разные. Электродвигатель вырабатывает механическую энергию, используя электричество, тогда как электрический генератор использует механическую энергию для выработки электричества. Принцип электродвигателя основан на силе Лоренца, тогда как принцип электрического генератора основан на законе Ленца. Электродвигатель используется в качестве важного компонента в различных электрических устройствах, таких как электровентиляторы, стиральные машины, миксеры, компьютеры и т. д.
Принципы работы
а. Основные детали
Все двигатели состоят из двух основных частей:
- СТАТОР (неподвижная часть)
- РОТОР (вращающаяся часть)
Конструкция и изготовление этих двух компонентов определяют классификацию и характеристики двигателя. Дополнительные компоненты (например, щетки, контактные кольца, подшипники, вентиляторы, конденсаторы, центробежные переключатели и т. д.) также могут быть уникальными для конкретного типа двигателя.
б. Эксплуатация
Все двигатели, описанные в этом руководстве, работают на принципе электромагнетизма. Существуют и другие двигатели, работающие на электростатическом и пьезоэлектрическом принципах, но они менее распространены.
В электродвигателях величина силы напрямую зависит от силы магнитного поля и величины тока, протекающего в проводнике (рис. 3-1).
F = ILB , где
F — сила (ньютоны)
I — сила тока (амперы)
L — длина (метры)
B — магнитный поток (веберы/м²)
В общем, ротор электрического двигатель находится внутри магнитного поля, создаваемого статором. Магнитное поле индуцирует ток внутри ротора, и результирующая сила, вызванная магнитными полями в статоре и роторе (и, следовательно, крутящий момент), заставляет его вращаться.
в. Мощность двигателя и крутящий момент
На паспортной табличке электродвигателей указана номинальная механическая мощность либо в лошадиных силах, либо в киловаттах.
Двумя важными факторами, определяющими выходную механическую мощность, являются крутящий момент и скорость.
Крутящий момент — это мера силы, которая стремится произвести вращение. Часто указывается в фунт-футах или ньютон-метрах.
Чтобы лучше понять концепцию крутящего момента, рассмотрим большой гаечный ключ длиной один фут, который используется для откручивания гайки (см. рис. 3-2). Если к концу этого ключа приложить силу 2 фунта, крутящий момент составит 2 фунта-фута. Пока гайка не начнет вращаться, работа фактически не выполняется. Когда гайка действительно начинает вращаться, работа выполняется. Если предположить, что к рукоятке ключа продолжает прикладываться та же сила, мощность, по сути, равна скорости вращения, умноженной на приложенный крутящий момент.
Рисунок 3-2: Пример крутящего момента
Частота вращения двигателя обычно указывается в оборотах в минуту (об/мин).
Мощность двигателя определяется как скорость вращения двигателя, умноженная на крутящий момент.
Чем медленнее работает двигатель, тем больший крутящий момент он должен создавать, чтобы обеспечить ту же выходную мощность. Чтобы выдерживать более высокий крутящий момент, низкоскоростным двигателям требуются более прочные компоненты, и они, как правило, крупнее, тяжелее и дороже, чем двигатели с более высокими скоростями той же номинальной мощности.
Иногда понятия крутящий момент и скорость путают с лошадиными силами. Чтобы проиллюстрировать разницу, рассмотрим стартер автомобиля. Этот специальный двигатель рассчитан на высокий крутящий момент, но относительно низкую мощность. Его единственная цель — медленно провернуть двигатель автомобиля, чтобы он завелся. И наоборот, двигатель в маленьком вентиляторе вращается с большой скоростью, но легко останавливается. Последний двигатель производит низкий крутящий момент. Последний пример — двигатель настольной пилы мощностью 3 л.с. Проталкивание куска дерева во вращающееся лезвие почти не замедлит двигатель, поскольку двигатель сочетает в себе скорость и крутящий момент для приложения.
д. Характеристики скорости вращения двигателей
Крутящий момент, создаваемый двигателем, обычно зависит от скорости.
Каждый тип двигателя имеет свое собственное отношение крутящего момента к скорости, которое при построении графика в виде зависимости крутящего момента от скорости помогает в процессе выбора (Рисунок 3-3).
Рис. 3-3: Типичный график зависимости крутящего момента от скорости
Некоторые важные точки на графике крутящий момент-скорость включают:
- Пусковой крутящий момент — крутящий момент, создаваемый при нулевой скорости. Если двигатель должен вращать нагрузку, которую трудно запустить (высокоинерционная нагрузка), следует выбрать двигатель с высоким пусковым моментом.