6. Электродвигатели постоянного тока
6.1. Назначение, устройство и способы возбуждения двигателей постоянного тока
Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) - это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.
ДПТ по конструкции не отличаются от генераторов постоянного тока, так как электрические машины постоянного тока обратимы и могут работать как в генераторном так и в двигательном режиме. Основными преимуществами ДПТ по сравнению с асинхронными двигателями являются возможность плавного регулирования частоты вращения и хорошие пусковые свойства.
ДПТ используются на электротранспорте, в подъемно- транспортных машинах, и прокатных станах, а также в качестве исполнительных механизмов в системах автоматического регулирования.
Основными частями ДПТ являются статор (индуктор) и ротор (якорь) рис. 6.1.
Статор состоит из стального корпуса 1, к которому крепятся основные полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом магнитопровод. Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора и якорем. На основных полюсах расположены обмотки возбуждения 4, соединенные последовательно и предназначенные для создания магнитного поля двигателя.
Рис. 6.1. Конструкция двигателя постоянного тока.
Якорь (ротор) 5 представляет собой цилиндр с продольными пазами на поверхности, набранный из листов электротехнической стали и насаженный на вал 7, вращающийся в подшипниках. В пазы якоря укладывается обмотка 11. Коллектор 6, расположенный на валу, представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. Обмотки якоря разделены на секции, каждая из которых размещается в двух его пазах. Выводы секции обмотки присоединяются к соответствующим пластинам коллектора (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Способы подключения обмотки якоря к коллектору:
а) петлевой; б) волновой.
К коллектору с помощью пружины прижимается щеткодержатель со щеткой 8 (см. рис. 6.1), что обеспечивает соединение вращающей обмотки якоря с внешней электрической цепью. Щетки устанавливают на геометрической нейтрали (ГН) – линии, перпендикулярной оси машины. Дополнительные полюса 9 с обмоткой 10 служат для уменьшения искрения под щетками коллектора.
В зависимости от того, как включена обмотка возбуждения относительно якоря, различают ДПТ с независимым возбуждением и самовозбуждением, которая подразделяется на параллельное, последовательное и смешенное (рис. 6.3.).
Рис. 6.3. Схемы возбуждения двигателей постоянного тока:
а) независимое; б) параллельное; в) последовательное; г) смешанное.
Рассмотрим работу двигателей постоянного тока на примере двигателя с параллельным возбуждением.
6.2. Принцип действия двигателя постоянного тока и его основные уравнения
Постоянное напряжение подается на обмотку возбуждения статора и, через коллектор, на обмотку якоря. Ток, протекающий по обмотке возбуждения, создает между полюсами статора постоянный магнитный поток
возбуждения Ф (рис. 6.4.).
Рис. 6.4. Распределение магнитного поля в ненагруженном двигателе.
При взаимодействии этого потока с током обмотки якоря возникают электромагнитные силы FЭМ (рис. 6.5.).
Рис. 6.5. Принцип действия двигателя (а) и схема замещения цепи якоря (б).
Коллектор ДПТ выполняет роль переключателя, обеспечивающего неизменность направления тока в проводах обмотки якоря, находящихся под полюсами статора. На рис 6.5 (а) показано направление действия электромагнитных сил, в случае если под северным полюсом ток направлен к нам, а под южным – от нас.
Совокупность электромагнитных сил создают вращающий момент МВР = М, значение которого определяется по выражению (6.1) и двигатель начинает вращаться.
М = СМ Ф IЯ (6.1)
где СМ – коэффициент, зависящий от конструкции обмотки якоря и числа пар полюсов двигателя;
Ф – магнитный поток главных полюсов двигателя;
IЯ – ток якоря двигателя.
При вращении якоря в его обмотке в результате пересечения магнитных силовых линий наводится ЭДС Е, направленная противоположно питающему напряжению. Ее величина определятся как
Е = Сe Ф n (6.2)
где Сe – коэффициент, зависящий от конструкции двигателя;
n – частота вращения якоря двигателя;
Применяя к схеме замещения цепи якоря (рис. 6.5.б) второй закон Кирхгофа, получаем
U = E + IЯ RЯ (6.3)
Используя выражение (6.3), с учетом (6.2), определяют ток якоря.
(6.4)
где U – напряжение, подводимое к якорю электродвигателя;
RЯ – сопротивление обмотки якоря.