Принцип дії двигуна постійного струму

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:

1. Основний магніт (постійний магніт), який прикріплений до статора. Магнітне поле також може бути електрично згенеровано. На статорі знаходяться так звані збуджуючі обмотки (котушки).
2. 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:

1. Напруга якоря U_A (управління напругою).
2. Основний потік поля (польове управління), сила магнітного поля.
3. 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:

1. іграшках;
2. сервомеханіческіх пристроях;
3. приводах клапанів;
4. роботах;
5. 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.