Motor electric curent continuu a fost inventat înaintea altor tipuri de mașini care transformă energia electrică în energie mecanică. În ciuda faptului că mai târziu motoarele au devenit cele mai răspândite curent alternativ, există aplicații în care nu există alternativă la motoarele de curent continuu.

Motor AC și DC

Istoria inventiei

motor electric Jacobi.

Pentru a înțelege principiul funcționării motoarelor electrice cu curent continuu (DCM), ne întoarcem la istoria creării sale. Deci, prima dovadă experimentală că energia electrică poate fi convertită în energie mecanică a fost demonstrată de Michael Faraday. În 1821, a efectuat un experiment cu un conductor coborât într-un vas plin cu mercur, în fundul căruia se afla un magnet permanent. După ce a aplicat electricitate conductorului, acesta a început să se rotească în jurul magnetului, demonstrându-și reacția la câmpul magnetic prezent în vas. Experimentul lui Faraday nu a găsit aplicație practică, dar a dovedit posibilitatea creării de mașini electrice și a dat naștere dezvoltării electromecanicii.

Primul motor electric de curent continuu, care s-a bazat pe principiul rotației părții mobile (rotorul), a fost creat de fizicianul mecanic rus Boris Semenovich Jacobi în 1834. Acest dispozitiv a funcționat după cum urmează:

Principiul descris a fost folosit în motorul pe care Jacobi l-a instalat pe o barcă care transporta 12 pasageri în 1839. Nava s-a deplasat sacadat cu o viteză de 3 km/h împotriva curentului (conform altor surse - 4,5 km/h), dar a traversat cu succes râul și a aterizat pasagerii la țărm. Sursa de alimentare a fost o baterie cu 320 celule galvanice, iar mișcarea a fost efectuată cu ajutorul roților cu zbaturi.

Studierea ulterioară a problemei i-a determinat pe cercetători să rezolve o mulțime de întrebări cu privire la ce surse de energie sunt cele mai bune de utilizat, cum să-și îmbunătățească caracteristicile de performanță și să-și optimizeze dimensiunile.

În 1886, Frank Julian Sprague a proiectat pentru prima dată un motor electric cu curent continuu, similar ca design cu cel folosit astăzi. A implementat principiul autoexcitarii și principiul reversibilității mașină electrică. În acest moment, toate motoarele de acest tip au trecut la alimentare de la o sursă mai potrivită - un generator de curent continuu.

Unitatea perie-comutator asigură conexiunea electrică între circuitul rotorului și circuitele situate în partea staționară a mașinii.

Proiectare și principiu de funcționare

Transformatoarele moderne de curent continuu folosesc același principiu de interacțiune al unui conductor încărcat cu un câmp magnetic. Odată cu îmbunătățirea tehnologiei, dispozitivul este completat doar cu unele elemente care îmbunătățesc performanța. De exemplu, în zilele noastre magneții permanenți sunt utilizați numai în motoarele de putere redusă, deoarece în dispozitivele mari ar ocupa prea mult spațiu.

Principiul de bază

Prototipurile inițiale ale motoarelor de acest tip au fost considerabil mai simple aparate moderne. Dispozitivul lor primitiv includea doar un stator de doi magneți și o armătură cu înfășurări la care era alimentat curent. După ce au studiat principiul interacțiunii câmpurilor magnetice, proiectanții au determinat următorul algoritm de funcționare a motorului:

1. Alimentarea cu energie creează un câmp electromagnetic pe înfășurările armăturii.
2. Stalpi de electro camp magnetic sunt respinse de la aceiași poli ai câmpului magnetic permanent.
3. Armătura, împreună cu arborele pe care este atașată, se rotește în funcție de câmpul de respingere al înfășurării.

Acest algoritm a funcționat perfect în teorie, dar în practică, creatorii primelor motoare s-au confruntat cu probleme caracteristice care au împiedicat funcționarea mașinii:

• Poziția moartă din care motorul nu poate fi pornit este atunci când stâlpii sunt orientați exact unul în fața celuilalt.
• Imposibilitatea pornirii din cauza rezistenței puternice sau a respingerii slabe a stâlpilor.
• Rotorul se oprește după ce a finalizat o rotație. Acest lucru se datorează faptului că, după ce a trecut jumătate de cerc, atracția magnetului nu a accelerat, ci a încetinit rotația rotorului.

O soluție la prima problemă a fost găsită destul de repede - pentru aceasta s-a propus să se utilizeze mai mult de doi magneți. Mai târziu, proiectarea motorului a început să includă mai multe înfășurări și un ansamblu comutator-perie, care a furnizat energie doar unei perechi de înfășurări în anumit moment timp.

Sistemul de alimentare cu curent comutator-perie rezolvă și problema frânării rotorului - polaritatea comută până când rotația rotorului începe să încetinească. Aceasta înseamnă că în timpul unei rotații a motorului au loc cel puțin două comutatoare de polaritate.

Problema curenților slabi de aprindere este discutată mai jos într-o secțiune separată.

Proiecta

Deci, un magnet permanent este fixat pe carcasa motorului, formând împreună cu acesta un stator, în interiorul căruia se află rotorul. După aplicarea puterii, pe înfășurarea armăturii apare un câmp electromagnetic, care interacționează cu câmpul magnetic al statorului, ceea ce duce la rotirea rotorului, montat rigid pe arbore. Pentru transmisie curent electric de la sursă la armătură, motorul este echipat cu un ansamblu comutator-perie format din:

1. Colector. Este un inel colector format din mai multe secțiuni separate material dielectric, este conectat la înfășurările armăturii și montat direct pe arborele motorului.
2. Perii de grafit. Ele închid circuitul dintre comutator și sursa de alimentare folosind perii care sunt apăsate pe plăcuțele de contact ale comutatorului prin arcuri de presiune.

Înfășurările armăturii sunt conectate la un capăt între ele, iar la celălalt la secțiunile colectoare, formând astfel un circuit prin care curentul circulă pe următorul traseu: perie de intrare -> înfășurare rotor -> perie de ieșire.

Dat schema circuitului(Fig. 3) demonstrează principiul de funcționare al unui motor electric de curent continuu primitiv cu un comutator din două secțiuni:

1. În acest exemplu, vom considera poziția de pornire a rotorului ca fiind cea prezentată în diagramă. Deci, după aplicarea puterii periei inferioare, marcată cu semnul „+”, curentul trece prin înfășurare și creează un câmp electromagnetic în jurul acesteia.
2. Conform regulii gimletului, polul nord al ancorei este format în partea stângă jos, iar polul sud se formează în partea dreaptă sus. Situate în apropierea polilor statorului cu același nume, încep să se respingă, punând astfel rotorul în mișcare, care continuă până când polii opuși sunt la o distanță minimă unul de celălalt, adică ajung în poziția finală (Fig. 1) .
3. Design de colecție în această etapă va duce la comutarea polarității pe înfășurările armăturii. Ca urmare a acestui fapt, polii câmpurilor magnetice vor fi din nou la distanță apropiată și vor începe să se respingă unul pe altul.
4. Rotorul face o revoluție completă, iar comutatorul își schimbă din nou polaritatea, continuându-și mișcarea.

Piese de motor DC

Aici, după cum sa menționat deja, este demonstrat principiul de funcționare al unui prototip primitiv. Motoarele reale folosesc mai mult de doi magneți și comutatorul este format din Mai mult tampoane de contact, care asigură o rotație lină.

La motoarele de mare putere, utilizarea magneților permanenți nu este posibilă din cauza acestora marime mare. O alternativă la acestea este un sistem de mai multe tije conductoare, fiecare dintre ele având propria înfășurare conectată la barele de alimentare. Stâlpii cu același nume sunt conectați la rețea în serie. Pe carcasă pot exista de la 1 până la 4 perechi de poli, iar numărul acestora trebuie să corespundă cu numărul de perii colectoare de curent de pe comutator.

Motoarele electrice proiectate pentru putere mare au o serie de avantaje funcționale față de omologii lor mai ușoare. De exemplu, periile de colectare curente aici le rotesc la un anumit unghi în raport cu arborele pentru a compensa frânarea arborelui, numită „reacția armăturii”.

Curenți de pornire

Echipând treptat rotorul motorului elemente suplimentare oferind-o funcționare neîntreruptăși excluzând frânarea sectorială, se pune problema lansării acestuia. Dar toate acestea măresc greutatea rotorului - ținând cont de rezistența arborelui, împingerea acestuia din loc devine mai dificilă. Prima soluție la această problemă care îmi vine în minte poate fi creșterea curentului furnizat la pornire, dar aceasta poate duce la consecințe neplăcute:

• întrerupătorul de circuit nu va rezista curentului și se va opri;
• firele de înfășurare se vor arde de la suprasarcină;
• sectoarele de comutare de pe colector vor fi sudate din cauza supraîncălzirii.

Prin urmare, o astfel de decizie poate fi numită mai degrabă o jumătate de măsură riscantă.

Deloc, această problemă este principalul dezavantaj al motoarelor de curent continuu, dar include principalul lor avantaj, ceea ce le face indispensabile în unele zone. Avantajul acestui lucru este transmiterea directă a cuplului imediat după pornire - arborele (dacă începe să se miște) se va învârti cu orice sarcină. Motoarele de curent alternativ nu sunt capabile de acest lucru.

Nu a fost încă posibil să se rezolve complet această problemă. Astăzi, pentru a porni astfel de motoare, se folosește un demaror automat, al cărui principiu de funcționare este similar cu cel al unei cutii de viteze auto:

1. În primul rând, curentul crește treptat până la valoarea de pornire.
2. După „deplasarea” din loc, valoarea curentă scade brusc și din nou crește ușor „ajustând rotația arborelui”.
3. După creșterea la valoarea maximă, puterea curentului este din nou redusă și „ajustată”.

Acest ciclu se repetă de 3-5 ori (Fig. 4) și rezolvă necesitatea pornirii motorului fără a provoca sarcini critice în rețea. De fapt, încă nu există o pornire „soft”, dar echipamentul funcționează în siguranță, iar principalul avantaj al motorului de curent continuu - cuplul - este păstrat.

Scheme de conectare

Conectarea unui motor de curent continuu este ceva mai complicată în comparație cu motoarele cu o specificație de curent alternativ.

Motoarele au mare și putere medie, de regulă, există contacte specialeînfășurări de câmp și armătură plasate în cutia de borne. Cel mai adesea ancora este servită tensiunea de iesire sursă, iar pe OB - curent, reglat, de regulă, de un reostat. Viteza de rotație a motorului depinde direct de curentul furnizat înfășurării de câmp.

Există trei circuite principale pentru conectarea armăturii și înfășurării de câmp a motoarelor de curent continuu:

1. Excitația în serie este utilizată la motoarele care necesită o putere mare de curent la pornire (vehicule electrice, echipamente de închiriat etc.). Această schemă prevede conexiune serială OB și ancore la sursă. După aplicarea tensiunii, curenții de aceeași magnitudine trec prin armătură și înfășurările OF. Ar trebui să se țină seama de faptul că reducerea sarcinii pe arbore chiar și cu un sfert cu excitație în serie va duce la o creștere bruscă a vitezei, ceea ce poate duce. la defecțiunea motorului, motiv pentru care acest circuit este utilizat în condiții de sarcină constantă.
2. Excitația paralelă este utilizată la motoarele care asigură funcționarea mașinilor-unelte, ventilatoarelor și a altor echipamente, care la momentul pornirii nu încărcătură mare pe arbore În acest circuit, o înfășurare independentă, cel mai adesea reglată de un reostat, este folosită pentru a excita OF.
3. Excitația independentă este foarte asemănătoare cu excitația paralelă, dar în în acest caz, o sursă independentă este utilizată pentru a furniza puterea OB, ceea ce elimină apariția comunicare electricăîntre armătură şi înfăşurarea câmpului.

În motoarele electrice moderne de curent continuu, pot fi utilizate circuite mixte bazate pe cele trei descrise.

Reglarea vitezei de rotație

Metoda de reglare a vitezei DPT depinde de schema de conectare a acestuia:

1. La motoarele cu excitație paralelă, o scădere a vitezei în raport cu valoarea nominală poate fi realizată prin modificarea tensiunii armăturii și o creștere - prin slăbirea fluxului de excitație. Pentru a crește viteza (de cel mult 4 ori față de valoarea nominală), la circuitul OF se adaugă un reostat.
2. Cu excitație secvențială, reglarea este ușoară rezistență variabilăîn lanțul armăturii. Adevărat, această metodă este potrivită doar pentru reducerea vitezei și numai în raporturi de 1:3 sau 1:2 (în plus, aceasta duce la pierderi mari în reostat). Creșterea se realizează folosind control reostatîn circuitul OB.

Aceste circuite sunt rareori utilizate în echipamentele moderne de înaltă tehnologie, deoarece au o gamă de reglare îngustă și alte dezavantaje. În zilele noastre, în aceste scopuri, ei creează din ce în ce mai mult circuite electronice management.

Inversare

Pentru a inversa (inversa) rotația unui motor de curent continuu este necesar:

• pentru excitația secvențială, schimbați pur și simplu polaritatea contactelor de intrare;
• cu amestecat şi excitație paralelă– este necesară schimbarea direcției curentului în înfășurarea armăturii; ruperea OF poate duce la o creștere critică a forței electromotoare pompate și la ruperea izolației firului.

Scopul aplicatiei

După cum ați înțeles deja, utilizarea motoarelor electrice de curent continuu este recomandabilă în condițiile în care o conexiune constantă, neîntreruptă la rețea nu este fezabilă. Un exemplu bun aici ar fi un demaror de mașină, care împinge un motor cu ardere internă din oprire, sau jucăriile pentru copii cu motor. În aceste cazuri, pentru a porni motorul, utilizați baterii reîncărcabile. În scopuri industriale, DPT-urile sunt utilizate în laminoare.

Principalul domeniu de aplicare a DPT este transportul electric. Navele cu aburi, locomotivele electrice, tramvaiele, troleibuzele și altele asemănătoare au o rezistență la pornire foarte mare, care poate fi depășită doar cu ajutorul motoarelor de curent continuu cu caracteristicile lor moi și cu limite largi de reglare a rotației. Ținând cont de dezvoltarea rapidă și popularizarea tehnologiilor de transport de mediu, domeniul de aplicare a DPT este doar în creștere.

Cea mai simplă unitate de colectare a perii

Avantaje și dezavantaje

Rezumând toate cele de mai sus, putem descrie avantajele și dezavantajele caracteristice motoarelor electrice cu curent continuu față de omologii lor proiectați să funcționeze pe curent alternativ.

Principalele avantaje:

• DPT-urile sunt indispensabile în situațiile în care este nevoie de un cuplu puternic de pornire;
• viteza de rotație a armăturii este ușor de reglat;
• Un motor de curent continuu este o mașină electrică universală, adică poate fi folosit ca generator.

Principalele dezavantaje:

• DPT-urile au costuri de producție ridicate;
• utilizarea unei unități de colectare a perii duce la necesitatea întreținerii și reparațiilor frecvente;
• Necesită o sursă de curent continuu sau redresoare pentru a funcționa.

Motoarele electrice cu curent continuu, desigur, sunt inferioare rudelor lor „variabile” în ceea ce privește costul și fiabilitatea, dar sunt și vor fi utilizate, deoarece avantajele utilizării lor în anumite domenii anulează categoric toate dezavantajele.

Nu orice motor electric poate fi numit cu siguranță capabil să funcționeze pe curent continuu. Se aplică tipului de colector. Dispozitivul și principiul de funcționare al unui motor electric de curent continuu se bazează pe acesta. Statorul constă dintr-un set de înfășurări, fiecare funcționând numai pe o parte limitată a arcului arborelui. ÎN in caz contrar este imposibil de implementat conceptul.

Funcționarea motorului comutatorului

Motoarele comutatoare sunt folosite peste tot aparate electrocasnice. 90% dintre aplicațiile de acasă provin din acest segment. Motoare mașini de spălat, aspiratoare, scule electrice. Excepțiile includ frigiderele, ventilatoarele, suflantele de vânt și unele hote. Cauzat de cerințele de zgomot. Oricine a auzit cum merge o mașină mică cu o baterie înțelege. Noaptea se aude fiecare foșnet, motor periat ar face ceva zgomot. Încercați să porniți polizorul unghiular pentru una sau două secunde la ora șase dimineața - veți înțelege.

Conform legii, noaptea nivelul presiunea sonoră nu depășește 30 dB. În caz contrar, tehnologia va interfera cu un somn odihnitor. Zgomotul este cauzat de frecarea periilor pe comutator; rotorul motorului este relativ greu; Există joc, partea în mișcare este mai masivă, efectul acustic este mai vizibil. Motoarele comutatoare au multe dezavantaje, dar pot funcționa pe curent continuu. Pentru a reduce dimensiunile, numărul de bobine este redus. Pentru a specifica în mod unic direcția de rotație, sunt necesari minimum trei poli și nu funcționează niciodată în paralel.

Pentru un motor cu comutator aparate electrocasnice un număr mare de poli rotori. Mai jos este un desen simplificat pentru DC. Motorul comutatorului funcționează într-un mod similar, există mai mulți magneți de stator, toți electrici. Alimentarea cu energie este în curs tensiune alternativă 220 volți. Am ajuns la secretul principal! Nu are nicio diferență dacă să alimentezi un motor comutator cu curent alternativ sau continuu. Din punctul de vedere al persoanei medii. Există câteva caracteristici:

1. Când este alimentat cu curent continuu, eficiența crește. Puterea de intrare este redusă proporțional, realizând o eficiență mai mare de utilizare. Înfășurarea statorului este echipată nu cu două, ci cu trei borne. Când este alimentat cu curent continuu, o parte din spire este utilizată. Variabila curge prin întreaga bobină a statorului.
2. La câmpuri constante, efectul de inversare a magnetizării dispare. Reduce brusc încălzirea oțelului electric al circuitelor magnetice ale unui motor de curent continuu. Reflectat cerințe scăzute pentru fabricarea bazei de susținere a rotorului și a statorului. Nu este nevoie să separați miezurile magnetice în plăci izolate cu lac. Oricum ar fi, majoritatea motoarelor cu perii de curent continuu sunt potrivite și pentru funcționarea cu curent alternativ. Miezurile magnetice sunt formate din plăci electrice de oțel.
3. Un avantaj indirect este stabilitatea vitezei mai mari. Pentru a regla viteza de rotație la curent continuu, se folosește o modificare a amplitudinii tensiunii la curent alternativ, o parte a sinusoidului de-a lungul liniei de alimentare este întreruptă folosind un comutator tiristor. Ultima varianta folosit de mașinile de spălat.
4. Inversarea pe curent alternativ se realizează prin reconectarea înfășurărilor. Schimbarea direcției de pornire una față de alta. Proceduri în mașină de spălat executa relee speciale. La motoarele de curent continuu, polul statorului este înlocuit cu un magnet de fier (neodim). Este suficient să schimbați polaritatea sursei de alimentare pentru a obține inversarea. Operarea poate fi efectuată cu ajutorul unui releu sau contactor. Dacă înfășurările sunt alimentate cu energie electrică, recomutația este utilizată pentru a schimba direcția de rotație a arborelui.

Într-un motor cu comutator al aparatelor de uz casnic, statorul este conectat în serie cu rotorul. Pentru a transfera energie la arbore, se folosește un colector de curent sub formă de tambur, împărțit în secțiuni. Electrozii vor fi perii de grafit cu arcuri de presiune. Pe carcasă sunt delimitate bornele statorului și rotorului, oferind posibilitatea implementării funcției inverse. Printre contacte pot fi și altele auxiliare: trei terminale ale senzorului Hall (două tahometre), capetele unei siguranțe termice.

Pe măsură ce arborele se rotește, periile trec treptat la următoarea secțiune, iar polul rotorului se mișcă. Statorul rămâne în același loc. Vă rugăm să rețineți că polaritatea se modifică cu frecvența dublă a rețelei (50 Hz), natura interacțiunii rămâne aceeași. Așa cum polii se resping, polii diferiți se atrag. Prin distribuția specială a înfășurării și comutația cu colectorul se asigură sensul de rotație dorit. Motorul este independent de tipul de tensiune de alimentare (DC sau AC). Unele caracteristici ale echipamentului de colectare care sunt unice numai pentru acest tip dispozitive, citiți mai jos.

Se generează o scânteie pe măsură ce periile se deplasează pe tambur.

Principiul de funcționare

Varistoarele sunt folosite pentru stingerea scânteilor

Mărimea EMF crește la o dimensiune inacceptabilă, rezistența de protecție scade de zeci de mii de ori, iar excesul de curent este scurtcircuitat de carcasă. Varistoarele sunt folosite în perechi. Ambele perii sunt conectate prin carcasa motorului comutatorului. Ștecherele aspiratorului de multe ori nu au terminal de împământare și sunt echipate cu succes cu protecție varistor. Scânteia este închisă de corpul de oțel, din cauza dimensiuni mari, nu există încălzire a masei. Este foarte periculos să apuci un motor de comutator cu astfel de delicii cu o mână, iar cu cealaltă să apuci structuri metalice împământate (scăpare de incendiu; apă, canalizare, conducte de gaz; autobuze pentru paratrăsnet; împletituri pentru cabluri de antenă).

Obrajii detașabili pe corp

Corpul sculei electrice este echipat cu obraji detașabili; periile pot fi schimbate în câteva minute. Vă scutește de a fi nevoit să dezasamblați dispozitivul pentru întreținere. Un semn de uzură a periei este scântei puternice. Echipamentul este uzat. Periile noi scânteie foarte mult la frecare. În caz de uzură se observă o scădere a puterii. Burghiul nu mai rotește burghiul, tamburul mașinii de spălat se oprește la greutatea nominală a rufelor încărcate. Nu este întotdeauna posibil să obțineți perii originale; componentele pot fi ascuțite dimensiunile cerute unealta de slefuit.

Viteză de scânteie, blocare

Se observă scântei și blocare atunci când tamburul este murdar. Rotorul este scos și curățat mijloace adecvate(alcool).

Designul unui motor electric de curent continuu nu diferă de modelele care funcționează sub tensiune alternativă. Cele de mai sus se aplică oricărui tip de echipament.

Funcționarea motorului de curent continuu

Există două secțiuni sub colectorul de curent al celui mai simplu motor. Tamburul colector a degenerat. Fiecare lamelă de contact (placă de pe arbore) durează o jumătate de rotație. O perie este alimentată cu un potențial pozitiv, a doua - cu unul negativ, iar direcția câmpului magnetic al polilor se modifică în consecință. Două sunt active la un moment dat (în designul descris mai sus). Statorul poate fi format permanent câmp electric, sau un magnet metalic. Acesta din urmă este folosit de mașinile copiilor.

Cum funcționează un motor electric de curent continuu? Să presupunem că în momentul inițial de timp înfășurările sunt situate așa cum se arată în figură. În exemplul nostru, nu mai există doi poli, așa cum am discutat mai sus, ci trei. Numărul minim pentru a porni stabil un motor electric de curent continuu în direcția dorită. Înfășurările sunt conectate printr-un circuit în stea, fiecare pereche având un punct comun. Intensitatea câmpului formează doi poli negativi și un pol pozitiv. Magnetul permanent stă așa cum se arată în figură.

Desen simplificat al carcasei DC

La fiecare treime de rotație câmpul este redistribuit astfel încât polii să se deplaseze în funcție de modificarea tensiunii de alimentare a lamelelor. În a doua diagramă vedem: numerele înfășurate s-au deplasat, dar imaginea în spațiu rămâne. Cheia stabilității: un pol este atras de un magnet permanent, al doilea este respins. Dacă trebuie să inversați, polaritatea conectării bateriei (bateria) se schimbă. Rezultatul este doi pol pozitiv, unul negativ. Arborele se va mișca în sens invers acelor de ceasornic.

Credem că principiul de funcționare a unui motor electric de curent continuu este acum clar. Să adăugăm că motoarele de tip supapă sunt comune astăzi. Mulți oameni s-au gândit să facă câmpurile alternative pe stator, rotorul ar fi un magnet permanent. Într-o primă aproximare, motorul este de tip supapă. Curentul continuu este furnizat înfășurărilor statorului necesare prin tiristoare comutate. Ca rezultat, este creată distribuția de câmp dorită.

Avantajele schemei sunt în reducerea numărului de piese de frecare care provoacă necesitatea întreținerii și reparațiilor. Unitatea de control a tiristoarelor este destul de complexă. Este posibil să se organizeze comutarea folosind lamele. În același timp, structura va servi ca senzor brut de poziție a arborelui (plus sau minus distanța dintre plăcuțele de contact ale axei arborelui). Motoarele cu invertor nu sunt noi. Folosit pe scară largă în industrii specifice. Ajută la menținerea cu precizie a vitezei de rotație. Este dificil să găsești motoare cu supape în viața de zi cu zi. Ceva asemănător poate fi văzut într-o mașină de spălat. Vorbim despre o pompă de scurgere a apei (rotor magnetic, doar curent alternativ).

Caracteristicile tehnice ale motoarelor electrice de curent continuu sunt mai bune decât cele alimentate cu curent alternativ. Clasa de dispozitive este utilizată pe scară largă. Cel mai adesea, motoarele de curent continuu sunt folosite atunci când sunt alimentate de baterii. diferite feluri. Când nu există de ales. Avantajele schemei de alimentare vor permite bateriilor să dureze mai mult.

Înfășurările statorului și rotorului sunt conectate în serie și în paralel. Acesta din urmă se aplică atunci când este încărcat stare originala arborele Există o creștere bruscă a vitezei, care poate duce la consecințe negative dacă rotorul se mișcă prea ușor. Subtilități similare au fost menționate în subiectul construirii motoarelor cu propriile mâini.

Dacă sunteți interesat de detalii, principiul de funcționare al unui motor de curent continuu este descris în detaliu pe multe site-uri și chiar cu formule. Am decis să vorbim nu numai despre asta, ci și despre unele caracteristici care nu sunt atât de cunoscute.

Câteva cuvinte despre mașinile DC

A fost obținut înaintea variabilei și din momentul apariției sale au început experimentele la ce putea fi folosită această fiară. S-a stabilit destul de repede o legătură între curent, câmp magnetic și rotație. A început când Faraday a plasat un magnet într-o înfășurare cu fire și a descoperit aspectul unui curent. După care a descoperit că dacă puneți mai întâi un magnet în interiorul bobinei și apoi aplicați curent, magnetul va împinge afară. Sau, dimpotrivă, te va trage înăuntru. Acesta este principiul de funcționare al unei mașini de curent continuu - folosind interacțiunea câmpului magnetic și a electricității. Acum să fim atenți la faptul că, dacă „împingem” un magnet, vom primi electricitate, iar dacă aplicăm electricitate, vom „împinge” magnetul. Adică, mașinile cu curent continuu, al căror design și principiu de funcționare le luăm în considerare, sunt tocmai mașini. Adică motorul este și un generator, cu alte cuvinte, acestea sunt mașini pentru conversia reversibilă a energiei mecanice în energie electrică (curent). Un magnet are doi poli, electricitate plus și minus. Interacțiunea magnetului și a curentului în acest caz este supusă unor legi complexe, dar dacă suntem interesați de rotație (și mișcările progresive de întoarcere sunt rareori necesare în tehnologie), atunci putem obține doar o singură direcție - în sensul acelor de ceasornic în raport cu polaritatea magneții și direcția curentului. Aceeași familiară „regulă gimlet” sau „regula mâinii stângi”. Putem schimba cu ușurință polaritatea curentului de înfășurare schimbând două fire, dar nu vom putea schimba polii magnetului și pur și simplu vom arde motorul. Pentru referință, puteți consulta și regula „ mana dreapta" Există așa ceva în inginerie electrică, se aplică și mașinilor de curent continuu, dar în ceea ce privește generarea de energie.

Rotirea arborelui în sine are loc după cum urmează. În interiorul câmpului magnetic există un rotor cu un arbore pe care se află o bobină. Când este aplicat curent, acesta induce un câmp magnetic. Magneții cu poli diferiți atrag, dar cu poli egali se resping. Magneții externi „respinge” electromagneții de lucru ai rotorului, determinându-i să „respinge” tot timpul în timp ce există curent, ceea ce duce la rotirea arborelui.

Acesta este principiul de funcționare al unui motor de curent continuu, totul în rest sunt detalii și detalii tehnice.

Caracteristicile designului motorului DC

Desigur, teoretic, principiul de funcționare al unei mașini de curent continuu este clar, dar un cititor curios va întreba imediat - cum va începe rotorul să se rotească dacă se află în interiorul unui magnet cu doi poli? Această întrebare este inevitabilă și pentru a-i răspunde va trebui să aruncați o privire mai atentă asupra designului motorului de curent continuu. Apropo, unele cunoștințe vor fi utile pentru înțelegerea funcționării motoarelor de curent alternativ.

Să începem cu o listă de dificultăți cu care s-au confruntat primii creatori ai DBT.

1. Disponibilitate două puncte moarte, din care lansarea independentă este imposibilă. (Aceiași doi poli de magneți).
2. Repulsia magnetică este prea slabă la curent scăzut. Sau rezistență puternică la rotație care împiedică pornirea.
3. Rotorul se oprește după o rotație. Nu rotație, ci balansare înainte și înapoi, deoarece după ce a trecut de jumătate de cerc, „magnetul” rotorului nu a fost respins, ci atras, adică nu a accelerat rotația, ci a încetinit-o.

Au rămas materialele și câteva lucruri mici, cum ar fi implementarea principiului unei mașini electrice reversibile.

„Locurile moarte” au fost primele care au câștigat, folosind nu doi, ci trei sau mai mulți magneți. Trei dinți de pe rotor elimină punctele moarte, unul este întotdeauna în câmpul magnetic, iar pornirea motorului a devenit posibilă din orice poziție a rotorului.

Ei au reușit să depășească problema accelerației și decelerarii utilizând principiul de funcționare al unei mașini cu curent continuu - ușurința de a comuta între plus și minus menținând curentul. Cu alte cuvinte, rotorul începe prima jumătate a revoluției după ce a început cu polaritatea curentului: pozitiv în partea de sus, minus în partea de jos. De îndată ce punctul de sus ocupă poziția inferioară, polaritatea punctelor se schimbă în minus - plus, iar „repulsie - accelerație” continuă până la sfârșitul revoluției, după care ciclul se repetă și frânarea este eliminată. Acest mecanism a fost numit colector. Aceleași perii ale motorului electric care asigură transmiterea curentului de la un contact staționar la un arbore rotativ. Și ce spectacol! Cu o schimbare a semnului pe rotor de 2 ori pe rotatie. Calculați cât de multă muncă trebuie să facă colectorul dacă motorul are 2000 rpm.

Colectionarul este cel mai mult parte complexă, dacă luăm în considerare proiectarea unui motor de curent continuu, deoarece permite conversia inversă a rotației în curent. Principalul articol consumabil sunt periile. După ce a cumpărat dispozitiv nou cu un motor electric, asigurați-vă că aveți piese de schimb. Nu fi leneș, cât timp dispozitivul este nou, cumpără încă câteva seturi.

Complexitatea colectorului vă permite să determinați vizual starea acestuia și funcționarea corectă a scânteii. Este foarte rău când scânteile (și colectorul nu este altceva decât un comutator de contact) formează un inel - „foc general”. Aceasta înseamnă că motorul nu va dura mult. În timp ce lupta împotriva scânteilor se desfășoară cu succese diferite, nu este posibil să o învingeți complet, dar a fost posibilă prelungirea duratei de viață a DPT.

Dacă vi s-a părut că am uitat de curenții slabi în timpul pornirii, luând în considerare imediat a treia problemă, atunci vă înșelați. Problema lansării s-a dovedit a fi atât de complexă încât o vom lua în considerare separat.

Curenții de pornire ai motoarelor de curent continuu

Deci, principiul de funcționare al unui motor de curent continuu este clar, am asigurat autopornirea, frânarea sectorială eliminată pe polii magnetici inversați, nu mai rămâne decât să-l pornim. Dar aici este problema. Rotorul tot nu se rotește, deși totul este în regulă. Cert este că, în timp ce ne rafinam motorul, rotorul a devenit mai greu, avea volante și toate astea, iar curentul pur și simplu nu era suficient pentru ca magneții să „pornească” rotorul. „Ce naiba de ticălos!” (c) experimentatorul curios va exclama și pur și simplu va crește curentul. Și știi, motorul chiar va începe să se rotească. Cu mai multe Dacă :

• Dacă înfășurările (firele din bobină) nu se ard;
• Dacă supratensiunea curentă poate rezista;
• Dacă sudarea sectoarelor de comutare etc. nu are loc pe colector în timpul unei astfel de porniri.

Prin urmare, pur și simplu creșterea curentului de pornire a fost rapid recunoscută decizie gresita. Apropo, nu am menționat încă principalul avantaj al DPT față de motoarele de curent alternativ - acesta transmiterea directă a cuplului din momentul pornirii. Mai simplu spus, din momentul în care începe să se rotească, arborele DPT poate „întoarce” orice, depășind o rezistență semnificativă, care depășește puterea motoarelor de curent alternativ.

Acest avantaj a devenit călcâiul lui Ahile al DBT. Însuși principiul de funcționare al unei mașini de curent continuu nu părea să permită modificări arbitrare ale curentului de pornire pe o parte. Pe de altă parte, încercările de a furniza un curent ridicat pentru pornire și de a-l reduce după pornire au necesitat automatizare. Inițial au folosit lansatoare și startere, în special pentru DPT de mare putere, dar a fost o ramură de dezvoltare fără fund. Refuzul ajustării fără probleme a curentului de pornire a făcut posibilă găsirea unui compromis rezonabil și aici. De fapt, acum arată ca pornirea unui motor, ca accelerarea unei mașini. Începem să conducem în treapta 1, apoi trecem în treapta a 2-a, a 3-a, iar acum alergăm pe autostradă în treapta a 4-a. Numai în acest caz „transmisiile”, adică curenții, comută demaror automat. Toate aceste echipamente electrice rezolvă două probleme în același timp - o pornire lină a motorului de curent continuu fără suprasarcini și menținerea integrității rețelei electrice (sursa de alimentare a motorului). La fel ca principiul de funcționare al unui motor de curent continuu, se bazează această automatizare conversie directă. Curentul crește treptat până la valoarea de pornire, la fel ca și echilibrul curentului de intrare și curenții de pe înfășurări înainte de începerea rotației. După începerea rotației, curentul scade brusc și crește din nou, „ajustând rotația arborelui” și așa mai departe de încă 2-3 ori.

Astfel, start-up-ul nu a mai fost „plan”, ci a devenit sigur pentru toată lumea. Cel mai important lucru care a fost păstrat cu această schemă, iar astăzi este cel mai comun, principalul avantaj este cuplu. În același timp, proiectarea unui motor DC fiabil a devenit mai simplă, puterea a crescut, iar curenții de pornire, deși rămân o bătaie de cap pentru această clasă de motoare, au încetat să fie critici pentru mecanisme.

Aplicații ale motoarelor de curent continuu

DPT, ca și mașinile cu curent continuu, al căror design și principiu de funcționare le-am examinat, sunt utilizate acolo unde nu este practic să se utilizeze o conexiune permanentă la rețele ( bun exemplu- un starter de mașină, care este un DPT), unde o astfel de conexiune este imposibilă (de exemplu, jucării cu motoare pentru copii), sau unde nici măcar o astfel de conexiune nu este suficientă. De exemplu, transportul feroviar, care pare a fi conectat la rețelele de curent alternativ, dar cuplurile necesare sunt de așa natură încât pot fi folosite doar motoare de curent continuu, ale căror principii nu s-au schimbat. Și de fapt în În ultima vreme Domeniul de aplicare nu este în scădere, ci doar în creștere. Cum capacitate mai mare baterie, cu atât mai mult timp un astfel de motor va funcționa autonom. Cu cât dimensiunile sunt mai mici, cu atât câștigul de putere este mai mare.

Economic- aceasta este o chestiune de viitor, deocamdată nu este nimic special de salvat și nu s-a pus întrebarea, motoarele variabile vor fi mai simple. Dar nu vor putea înlocui DPT. Acestea sunt DCT-urile sau mașinile cu curent continuu, a căror structură și principiu de funcționare le-am studiat în clasele 6-8, dar am uitat de mult.

motoare de curent continuu concepute pentru a transforma energia curentului continuu în lucru mecanic.

Motoarele de curent continuu sunt mult mai puțin comune decât motoarele de curent alternativ. Acest lucru se datorează în primul rând costului relativ ridicat, dispozitivului mai complex și dificultăților în furnizarea de energie. Dar, în ciuda tuturor acestor dezavantaje, DBT are multe avantaje. De exemplu, motoarele de curent alternativ sunt dificil de reglat, dar DPT-urile sunt perfect reglate într-o varietate de moduri. În plus, DFC-urile au caracteristici mecanice mai rigide și pot oferi un cuplu de pornire ridicat.

Motoarele electrice cu curent continuu sunt folosite ca motoare de tracțiune, în vehicule electrice și ca diverse dispozitive de acționare.

Proiectarea motoarelor de curent continuu

Designul unui motor de curent continuu este similar cu un motor de curent alternativ, dar există încă diferențe semnificative. Pe cadrul 7, care este din oțel, este instalată o înfășurare de excitație sub formă de bobine 6. Între polii principali, pot fi instalați poli suplimentari 5 pentru a îmbunătăți proprietățile DFC. În interior este instalată o armătură 4, care constă dintr-un miez și un colector 2 și este instalată folosind rulmenții 1 în carcasa motorului. Comutatorul este o diferență semnificativă față de motoarele de curent alternativ. Este conectat la periile 3, ceea ce vă permite să alimentați sau, dimpotrivă, să eliminați tensiunea din circuitul de armătură în generatoare.

Principiul de funcționare

Principiul de funcționare al DPT se bazează pe interacțiunea câmpurilor magnetice ale înfășurării de excitație și armăturii. Vă puteți imagina că în loc de armătură avem un cadru prin care trece curentul, iar în loc de o înfășurare de excitație, un magnet permanent cu poli N și S. Când curentul continuu trece prin cadru, câmpul magnetic al magnetului permanent începe să crească. acționează asupra acestuia, adică cadrul începe să se rotească și, deoarece direcția curentului nu se schimbă, direcția de rotație a cadrului rămâne aceeași.

Când se aplică tensiune la bornele motorului, curentul începe să curgă în înfășurarea armăturii și, după cum știm deja, câmpul magnetic al mașinii începe să acționeze asupra acesteia, în timp ce armătura începe să se rotească și, deoarece armătura se rotește în câmpul magnetic, începe să se formeze un EMF. Acest EMF este îndreptat împotriva curentului, motiv pentru care este numit înapoi EMF. Poate fi găsit folosind formula

Unde Ф este fluxul magnetic de excitație, n este frecvența de rotație și Ce este momentul de proiectare al mașinii, care rămâne constant pentru aceasta.

Tensiunea la bornele este mai mare decât EMF din spate cu valoarea căderii de tensiune în circuitul armăturii.

Și dacă înmulțim această expresie cu curentul, obținem ecuația de echilibru a puterii.

O mașină electrică de curent continuu constă dintr-un stator, armătură, comutator, suport pentru perii și scuturi pentru rulmenți (Figura 1). Statorul este format dintr-un cadru (carcasă), poli principal și suplimentar, care au înfășurări de câmp. Această parte staționară a mașinii este uneori numită inductor. Scopul său principal este de a crea flux magnetic. Cadrul este din oțel, stâlpii principali și suplimentari, precum și scuturile de rulment, sunt prinse cu șuruburi. Pe partea de sus a cadrului sunt inele pentru transport, iar pe partea de jos sunt labe pentru atașarea mașinii la fundație. Polii principali ai mașinii sunt fabricați din foi de oțel electric de 0,5 -1 mm grosime pentru a reduce pierderile care apar din cauza pulsațiilor câmpului magnetic al polilor din strat de aer sub stâlpi. Foile de oțel ale miezului stâlpului sunt presate și fixate cu nituri.

Figura 1 – Mașină DC:
I - arbore; 2 - scut lagăr frontal; 3 - colector; 4 - suport perie; 5 - miez de armătură cu înfășurare; b - miezul polului principal; 7 - bobina de poli; 8 - pat; 9 - scut lagăr spate; 10 - ventilator; 11 - labe; 12 - rulment

Figura 2 – Polii mașinii DC:
a - stâlp principal; b - stâlp suplimentar; c - înfăşurarea stâlpului principal; g - înfășurarea unui stâlp suplimentar; 1 - piesă de stâlp; 2 - miez
Polii se disting între un miez și un vârf (Figura 2). Pe miez este plasată o înfășurare de excitație, prin care trece curentul, creând un flux magnetic. Înfăşurarea de excitaţie este înfăşurată pe un cadru metalic acoperit cu carton electric (la maşinile mari), sau aşezat pe un miez izolat cu carton electric (maşini mici). Pentru o răcire mai bună serpentina este împărțită în mai multe părți, între care se lasă canale de ventilație. Stâlpi suplimentari sunt instalați între cei principali. Acestea servesc la îmbunătățirea comutării. Înfășurările lor sunt conectate în serie la circuitul armăturii, astfel încât conductoarele de înfășurare au o secțiune transversală mare.
Armătura unei mașini de curent continuu constă dintr-un arbore, miez, înfășurare și comutator. Miezul armăturii este asamblat din foi ștanțate de oțel electric de 0,5 mm grosime și presate pe ambele părți cu ajutorul spălătoarelor cu presiune. La mașinile cu sistem de ventilație radială, foile de miez sunt asamblate în interior pachete individuale 6-8 cm grosime, intre care se realizeaza canale de ventilatie cu o latime de 1 cm Cu ventilatie axiala se face un orificiu in miez pentru a permite trecerea aerului de-a lungul arborelui. Există caneluri pentru înfășurare pe suprafața exterioară a armăturii.

Figura 3 – Amplasarea secțiunii de înfășurare a armăturii în fantele miezului
Înfășurarea armăturii este realizată din fire de cupru secțiune transversală rotundă sau dreptunghiulară sub formă de secțiuni prefabricate (Figura 3). Sunt plasate în caneluri unde sunt izolate cu grijă. Înfășurarea este realizată din două straturi: două laturi ale unor bobine de armătură diferite sunt plasate în fiecare fantă - una deasupra celeilalte. Înfășurarea este asigurată în caneluri cu pene (de lemn, getinaks sau textolit), iar părțile frontale sunt asigurate cu un bandaj special de sârmă. În unele modele, pene nu sunt folosite, iar înfășurarea este asigurată cu un bandaj. Bandajul este realizat din sârmă de oțel nemagnetică, care este înfășurată cu pretensionare. ÎN mașini moderne bandă de sticlă este folosită pentru a banda ancorele.
Comutatorul unei mașini de curent continuu este asamblat din plăci în formă de pană de cupru laminat la rece. Plăcile sunt izolate una de alta cu garnituri din micanit colector cu o grosime de 0,5 - 1 mm. Marginile inferioare (înguste) ale plăcilor au decupaje în coadă de rândunică care sunt folosite pentru a atașa plăci de cupru și izolație de micanit. Colectorii sunt asigurați cu conuri de presiune în două moduri: într-unul dintre ele, forța de la clemă este transferată numai pe suprafața interioară a cozii de rândunică, în al doilea - la coada de rândunică și la capătul plăcii.
Colectorii cu prima metodă de fixare se numesc arcuiți, iar a doua - pană. Colecțiile arcuite sunt cele mai comune.
În plăcile colectoare de pe partea armăturii când nu mare diferență Se realizează proeminențe în diametrele colectorului și armăturii, în care sunt frezate fante (fante). Capetele înfășurării armăturii sunt plasate în ele și lipite cu lipire cu staniu. Dacă există o diferență mare de diametre, lipirea la colector se face folosind benzi de cupru, care se numesc „cocoși”.
La mașinile de mare viteză, de mare putere, inelele de bandaj izolate externe sunt utilizate pentru a preveni bombarea plăcilor sub influența forțelor centrifuge.
Aparatul de perie constă dintr-o traversă, degete de perie (șuruburi), suporturi pentru perii și perii. Traversa este concepută pentru a atașa degetele de perie ale suporturilor de perie la acesta, formând un circuit electric.
Suportul periei este format dintr-un suport in care este asezata peria, o maneta pentru presarea periei de comutator si un arc. Presiunea asupra periei este de 0,02 - 0,04 MPa.
Pentru a conecta peria cu circuit electric Există un cablu flexibil de cupru.
În mașini putere redusă Se folosesc suporturi tubulare pentru perii, care sunt montate în scutul rulmentului. Toate suporturile de perii cu aceeași polaritate sunt interconectate prin bare, care sunt conectate la bornele mașinii.
Periile (Figura 4), în funcție de compoziția pulberii, metoda de fabricație și proprietățile fizice, sunt împărțite în șase grupe principale: carbon-grafit, grafit, electrografit, cupru-grafit, bronz-grafit și argint-grafit.
Scuturile de rulment ale unei mașini electrice servesc ca piese de legătură între cadru și armătură, precum și o structură de susținere pentru armătură, al cărei arbore se rotește în rulmenți instalați în scuturi.

Figura 4 – Perii:
a - pentru mașini de putere mică și medie; b - pentru mașini de mare putere; 1 - cordon perie; 2 - pont
Există scuturi convenționale și cu flanșe.
Scuturile pentru rulmenți sunt realizate din oțel (mai puțin obișnuit din fontă sau aliaje de aluminiu) prin turnare, sudură sau ștanțare. În centrul scutului, se face un alezaj pentru un rulment: bilă sau rolă. La mașinile de mare putere, în unele cazuri, se folosesc lagăre de alunecare.
ÎN anul trecut Statorul motoarelor de curent continuu este asamblat din foi separate oțel electric. Jugul, canelurile, stâlpii principali și suplimentari sunt ștanțate simultan în foaie.