Как найти эдс двигателя постоянного тока

Как найти эдс двигателя постоянного тока

Разница между двигателем постоянного тока и генератором постоянного тока

Электричество стало неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Большинство наших действий и устройств, которые мы используем, зависят от электричества. Для использования энергии существуют различные инструменты, которые помогают сделать ее удобной для личного использования. Два таких метода, которые наиболее часто используются, известны как генераторы и двигатели. Их простое определение довольно простое: генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую, а двигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Это первое и главное различие между ними, пока их еще несколько. Центральный принцип работы генератора постоянного тока — это закон электромагнитной индукции Фарадея, в то время как основной принцип, используемый для работы двигателя постоянного тока, — это индукция. Другое различие между ними заключается в том, что двигатель постоянного тока следует правилу левой руки Флеминга, а генератор постоянного тока следует правилу правой руки Флеминга. В случае двигателя и генератора постоянного тока электричество постоянного тока отображается как выходное для первого, в то время как прямое питание появляется на выходе для последнего. У обоих также есть разные уравнения для измерения требуемого значения. Есть определенные случаи, когда двигатель постоянного тока может начать работать как генератор постоянного тока, но это не так, наоборот, и генератор постоянного тока может также работать как двигатель постоянного тока. У них обоих одинаковые компоненты, но некоторые из них разные, потому что оба работают по-разному, и то, как они производят выходные данные, также не одинаково. О них можно сказать одно: оба являются формой преобразования энергии, но по-своему. Оба имеют разные типы с компаундом, шунтирующий, длинный и короткий — основные типы двигателей постоянного тока, а последовательный, составной и шунтирующий — основные типы генераторов постоянного тока. Между этими двумя устройствами есть и другие различия, которые будут подробно описаны позже, но подробное объяснение обоих этих устройств дается в следующих двух параграфах.

Сравнительная таблица

Двигатель постоянного тока Генератор постоянного тока
ПринципПреобразует электрическую энергию в прямую выходную мощностьПреобразует механическую энергию в прямую электрическую энергию
ПреобразованиеМожет быть преобразован в генератор постоянного токаНе может быть преобразован в двигатель постоянного тока
Правило рукиПравило левой руки ФлемингаПравило правой руки Флеминга.
ТипыШунтирующая рана и сложная ранаПоследовательная, шунтирующая и сложная рана

Определение двигателя постоянного тока

Простой двигатель постоянного тока имеет катушку, намотанную магнитным полем. Две щетки на каждом конце, которые подают ток на двигатель при движении, это происходит, когда они соприкасаются с разрезным кольцом. Сила прилагается к проводам, которые остаются в нейтральном магнитном поле, а крутящий момент создается катушкой. Что касается уравнения, сила прилагается к кабелю определенной длины, по которому течет ток в магнитном поле. Сила обозначается буквой F, длина L, ток I, а магнитное поле буквой B. Угол между катушкой и магнитным полем равен iLBsinѲ, который обычно составляет 90 градусов, когда поле вертикальное. Двигатель постоянного тока следует правилу левой руки Флеминга, но в отношении направления силы соблюдается правило правой руки. Катушка в первую очередь рассматривается как электромагнит, поэтому путь можно найти, согнув пальцы правой руки в направлении тока, а большой палец будет указывать на север. Статор и ротор играют важную роль в работе двигателя, поэтому нельзя пренебрегать эффектом разрезного кольца и щеток. Когда направление меняется, плоские щетки больше не контактируют с разрезными кольцами и крутящим моментом, создаваемым двумя разными силами.

Определение генератора постоянного тока

Это устройство, которое своей работой преобразует механическую энергию в прямую работу. Это делается с помощью индукционного принципа, который также лежит в основе двигателей постоянного тока. Поскольку генератор постоянного тока может использоваться в качестве двигателя постоянного тока, оба они известны как машины постоянного тока и, следовательно, имеют схожий тип работы. Внешняя часть такого генератора называется ярмом и обычно изготавливается из стали. Это придает прочности системе и сохраняет все внутренние части в безопасности. На каждом конце имеются два полюса, которые соединяются с ярмом сваркой, в том числе обмотки. Обмотки сделаны из меди и размещены на полюсах, которые соединены последовательно и образуют северный и южный полюса, необходимые для работы. Имеется коллекторная щеточная система, предназначенная для соединения с обмотками якоря, Основная роль коммутатора заключается в улавливании тока, который возникает во время процесса, количество сегментов коммутатора равно количеству имеющихся катушек. Когда проводник помещается в магнитное поле, в проводнике создается электродвижущая сила, если нет пути, этот ток движется по указанному пути, который затем переходит в электромагнитное поле. Это создает наведенную ЭДС, которую можно рассчитать с помощью правила правой руки Флеминга.

Отличия в двух словах

  1. Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в прямую выходную мощность, а генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в прямую электрическую энергию.
  2. Двигатель постоянного тока можно преобразовать в генератор постоянного тока, но возможно и наоборот.
  3. Двигатель постоянного тока использует правило левой руки Флеминга, в то время как генератор постоянного тока использует правило правой руки Флеминга.
  4. Основными типами двигателей постоянного тока являются двигатели с параллельной обмоткой и со смешанной обмоткой, в то время как основными типами генераторов постоянного тока являются последовательные, параллельные и смешанные обмотки.
  5. Большая мощность вырабатывается, если к двигателю прилагается большее усилие, в то время как генератор всегда работает с фиксированной скоростью.

Заключение

Всегда есть путаница в терминах «двигатель» и «генератор», хотя люди знают, что они отличаются друг от друга, но на самом деле они не имеют представления о том, чем они отличаются друг от друга и каковы основные функции этих двух. В этой статье дано простое объяснение, чтобы люди поняли функциональность этих двух терминов.

Превращаем стандартный мотор постоянного тока в мотор без противоЭДС.

Стандартный двигатель постоянного тока имеет простое строение (рис.1).

Рис.1. Схема двигателя постоянного тока.

Рисунок взят из Интернета. Но часть 2) на этом рисунке пришлось немного исправить — изменить расположение щеток и оставить «признак» протекания тока только в 4-х проводниках, ибо ток идет только через те проводники на роторе, которые в данный момент контактируют через пластину коллектора с щетками. В остальных «рамках» ротора тока нет.

Согласно давно отработанной практике ротор постоянного магнита состоит из массивного цилиндра из мягкого железа, в пазах которого располагаются рамки из меди, как показано на части 1) рис.1. При вращении ротора каждая рамка из меди периодически проходит между полюсами электромагнита статора 2, и тогда по рамке протекает электрический ток, но только в том случае, если секторы на коллекторе, к которым подключаются концы рамки, контактируют с щетками 6.

Чтобы у двигателя постоянного тока при деле было больше рамок из меди, следует щетки сделать шире, что не всегда возможно чисто технически, так как у маленького двигателя для установки более широких щеток нет необходимого пространства. Кроме того возрастет трение между щетками и пластинами коллектора. Но если это возможно, то следует над этим подумать. Хотя тут уже могут мешать принятые в электротехнике стандарты на размеры щеток. А изменить стандарты могут не позволить соответствующие органы управления, для которых важнее всего стабильность и спокойствие во вверенном им деле. А если стандарты имеют признание во свеем мире, то об изменении стандартов даже нет смысла думать.

Поэтому и вращаются роторы двигателей постоянного тока усилиями всего одной, максимум двух рамок. Кроме того, подача тока на рамку и отключение рамки от тока происходит автоматически в той зоне под башмаком статора, когда еще противоЭДС особо не проявляется. Так что показанный на рис.1 двигатель постоянного тока неэффективен чисто конструктивно. Если ширину щетки увеличить до таких размеров, что они смогут охватить сразу почти половину контактов на коллекторе с снизу и сверху, то вот тут уже могут проявиться в полной мере явления, связанные с противоЭДС.

Суть противоЭДС состоит в том, что при прохождении замкнутой рамки через неоднородное магнитное поле возникает ЭДС, которое стремится компенсировать эту неоднородность. Обращаю внимание, что противоЭДС возникает только при наличии замкнутой рамки проводника, по которому идет электрический ток, а сама рамка перемещается внутри неоднородного магнитного поля как во времени, так и в пространстве.

Фактически, противоЭДС есть результат взаимодействия двух магнитных полей. Внешнего неоднородного в пространстве и времени. И магнитного поля, которое создается замкнутым витком тока (внутреннее поле). И чем выше напряженность последнего магнитного поля и чем выше скорость изменения внешнего магнитного поля, тем больше величина противоЭДС.

Поэтому, увеличив площадь контура при одном и том же токе в проводнике, который этот контур создает, мы можем получить значительное уменьшение напряженности внутреннего поля, создаваемого контуром. А это приведет к заметному снижению противоЭДС. Значит, увеличив диаметр ротора мотора постоянного тока, можно практически полностью избавиться от противоЭДС. Видимо, поэтому Тесла строил свои генераторы и моторы с максимально возможным диаметром.

Одним из вариантов мотора постоянного тока, практически полностью лишенного противоЭДС является мотор Шкондина. Это достигается тем, что при вращении ротора полярность подключения электромагнитов, которые в зависимости от конструкции расположены на роторе или статоре, меняется на противоположную по мере вращения ротора по несколько раз за один оборот ротора. А разное число магнитов на статоре и электромагнитов на роторе (или наоборот) обеспечивает отсутствие мертвых точек. Поэтому мотор Шкондина легко запускается и выдает бОльшую мощность, чем моторы постоянного тока, у которых отношение числа магнитов и электромагнитов равно целому числу. Это отражено на рис.2, где двигатель у предложенного Шкондиным варианта двигателя 4 пары магнитных полюсов на роторе и 5 пар магнитных полюсов на статоре. Отношение не равно целому числу.

Рис.2. Двигатель Шкондина с ротором внутри статора.

На рис.2 важным элементом конструкции является коллектор, у которого пластины разной полярности чередуются друг с другом, а сами пластины отделены друг от друга «пластиной» из диэлектрика. Поэтому при вращении ротора на электромагниты ротора треть времени подается ток положительной полярности, треть времени электромагнит ротора оказывается обесточен, а еще треть времени на электромагнит ротора подается ток отрицательной полярности. Электромагниты часть траектории вначале притягиваются к магнитам статора, затем двигаются по инерции, а третью часть траектории отталкиваются от магнитов статора. И когда электромагнит (а это два магнитных полюса) притягивается к очередной паре магнитов статора, он в тоже время отталкивается от предыдущей пары магнитов, а когда отталкивается от очередной пары магнитов статора, он одновременно притягивается к следующей по кругу паре магнитов статора. Это позволяет посредством такого простого конструктивного решения практически удвоить мощность мотора при одном и том же постоянного тока.

Достоинством мотора Шкондина является то, что он всегда при запуске будет вращаться в одном и том же направлении. Либо по часовой, либо против часовой стрелке. Для изменения направления вращения мотора достаточно переключать полярность тока в одном месте одним тумблером.

Попытаемся разобраться, как нам переделать мотор постоянного тока, у которого конструкция похожа на двигатель Шкондина, но у которых отношение числа магнитных полюсов на роторе к числу магнитных полюсов на статоре равно целому числу. Например, на роторе 6 электромагнитов, а на статоре 3 магнитных полюса одной полярности. Или, если на роторе и статоре будет четное число магнитных полюсов.

Ясно, что такой электромотор будет работать только в том случае, если магнитное вращающееся поле будет формироваться переключением полярности обмоток электромагнитов на статоре, или, соответственно, роторе. Причем переключать обмотки можно как с помощью коллектора. Так и с помощью электронного переключателя. Например, так как показано на рис.3.

Рис. 3. Анимация работы бесколлекторного двигателя.

Предположим, что у нас мотор постоянного тока, у которого, например, 4 мощных постоянного магнита на статоре и 4 электромагнита на роторе. Примерно так, как на рис.4.

Рис.4 Мотор постоянного тока с равным числом полюсов на роторе и статоре.

Если у такого мотора на электромагниты ротора подавать попеременно меняющееся напряжение, то при правильной синхронизации каждый электромагнит ротора при приближении к магниту статора будет притягиваться, а при удалении от него — отталкиваться. Промежутки между электромагнитами на роторе будут обеспечивать вращение ротора только в одном направлении. В реальности, конструкция мотора может быть более совершенной, мне важно пока только изложить идею о возможной для этого мотора конструкции коллектора и узла со щетками.

Понятно, что коллектор должен «включить» южный полюс при приближении электромагнита ротора к магниту статора, а при удалении электромагнита ротора от магнита статора полярность электромагнита должна поменяться на противоположную — северную. Можно, естественно, собрать электронный коллектор. Возможно, это будет лучшим решением. Но покажем, как можно решить задачу с использованием обычного, слегка модернизированного коллектора и щеточного механизма.

У меня нет возможности показать решение в объёме, поэтому построю решение на плоскости в виде развертки (рис.5).

Рис.5 Схема подачи тока на электромагниты с помощью двух пар щеток.

При вращении ротора одна пара щеток, красная (вторая щетка подразумевается на диаметрально противоположной стороне коллектора) обеспечивает контакт ближе к обмоткам. А другая пара щеток (синяя) контактирует с удалёнными участками коллекторных пластин. Размеры коллекторных пластин, их конфигурация, а также размеры и расположение щеток должны быть выбраны таким образом, чтобы «красные» и «синие» щетки одновременно не контактировали с одной и той же пластиной коллектора. Это обеспечит непрерывное вращение ротора. При этом «красная» пара щеток подает напряжение на электромагнит тогда, когда он приближается к магниту статора, а «синяя» пара щёток меняет полярность подаваемого напряжения. И электромагнит ротора будет отталкиваться от магнита статора.

Говоря о магнитах статора, я имею в виду, что либо это действительно постоянные магниты, либо это электромагниты, полярность которых во время работы мотора не меняется.

Можно постоянные магниты разместить на роторе, а электромагниты, меняющие свою полярность во время работы ротора, можно разместить на статоре.

Понятно, что без особых затрат современное производство моторов постоянного тока можно легко перенастроить по предлагаемой мной схеме. Всего-то делов, слегка придется изменить конструкцию коллектора и вместо пары щеток использовать две. Копеечное дело. А в результате получаем двигатель постоянного тока без противоЭДС.

Остается продумать конструкцию, которая позволит с пары щеток подавать напряжение сразу на группы контактов коллекторов, одна пара щеток будет подавать напряжение на условно четные контакты, а другая — на нечетные.

Даже уже собранные и работающие двигатели постоянного тока можно превратить в практически лишенные противоЭДС, если щетки устанавливать не строго по вертикали, а слегка «повернуть» их по часовой или против часовой стрелке. При этом в зависимости от поворота щеток придется подбирать полярность подключения щеток, чтобы ротор мотора вращался в нужном направлении.

После такой простой переделки электромагниты ротора будут либо только притягиваться к магнитам статора, либо отталкиваться от них. При этом мы потеряем половину мощности от максимально возможной. Но это не такая уж большая потеря по сравнению с тем, что мы получим взамен — двигатель постоянного тока практически без противоЭДС.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Главной конструктивной и характерной принадлежностью машины постоянного тока, служит использование для присоединения к электрической сети коммутатора, предназначенного для преобразования величин постоянного тока в переменный ток. Коммутатор является непременным элементом любой машины этого типа ввиду того, что ее якорная обмотка двигателя подразумевает наличие переменного тока.

Особенности двигателя постоянного тока

Устройство двигателя постоянного тока

Двигательные устройства постоянного тока отличаются широкими возможностями регулирования скорости вращения и обладают способностью сохранять во всем диапазоне регулирования высокий КПД, а также имеют в наличии механические характеристики, благодаря которым двигатели могут использоваться по специальному назначению, в соответствии с необходимыми требованиями.

Принцип работы

Функционально двигатель принадлежит к классу синхронных машин обращенного типа, это объясняется тем, что статор и ротор поменяли выполнение задач. Статор выполняет функции по возбуждению магнитного поля, ротор принял задачи направленные на преобразование энергии.

Во время вращения якоря в магнитном поле, производимым статором в витках обмотки, наводится ЭДС. Направление ее движения находится по правилу правой руки.

После того, как якорь и коллектор повернутся на 180 градусов виток меняет свои стороны, на противоположное направление меняется движение ЭДС.

Так происходит процесс индуцирования переменной электродвижущей силы, выпрямляемой посредством коллектора.

Схема двигателя постоянного тока

Коллектор, через щеточный механизм, соединен с обеими сторонами витка, в результате этого происходит снятие щетками текущего в неизменном направлении пульсирующего напряжения, это способствует наличию во внешней цепи, идущего в постоянном направлении, пульсирующего тока. Для того, чтобы снизить пульсацию в пазах якоря, прибавляют добавочное количество витков.

Конструкция двигателя

Двигатель, как и любая другая машина этого типа, содержит в своей конструкции статор, являющегося неподвижным элементом, и ротор (якорь) – вращающийся элемент машины, между ними находится воздушный зазор. В якоре двигателя происходит индуцирование ЭДС. Создание основного магнитного поля происходит при помощи главных полюсов, состоящих из сердечников и катушек возбуждения.

Равномерное распределение полученной магнитной индукции в области воздушного зазора обеспечивается полюсными наконечниками.

Чередование полярности полюсов во время движения электрического тока достигается за счет соединения катушек главных полюсов в обмотку возбуждения. Для улучшения коммутации предусмотрены добавочные полюса.

Уменьшение вихревых токов, которые появляются в результате перемагничивания якоря в процессе его вращения в созданном магнитном поле, происходит за счет конструкции сердечника, исполненного из пластин электротехнической стали, для большего эффекта он покрывается специальным лаком.

Контакт внешней цепи машины с коллектором осуществляется за счет щеток, основным материалом для них является графит.

Область применения

Несмотря на то, что себестоимость этого типа двигателя намного дороже асинхронных машин, их особенности могут сыграть решающую роль в узкоцелевом специальном назначении.

С помощью таких двигателей приводятся в работу прокатные станы, они используются для привода гребного винта на кораблях, а также для транспортных средств, имеющих систему питания на постоянном токе.

Поэтому их область использования характерна для нужд там, где необходима электрическая тяга, это: тепловозы, электровозы, электропоезда, городской транспорт, то есть там, где необходимо применить мягкие механические характеристики и широкие пределы регулировки количества оборотов вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Двигатель постоянного тока

Двигатели постоянного тока предназначены для превращения энергии постоянного тока в механическую работу.

Электродвигатели постоянного тока, намного меньше распространены, нежели двигатели переменного тока. Это связано в первую очередь со сравнительной дороговизной, более сложным устройством, сложностями в обеспечении питания. Но, несмотря на все эти недостатки, ДПТ имеют немало плюсов. Например, двигатели переменного тока, сложно регулировать, ДПТ же отлично регулируются массой способов. Кроме того ДПТ имеют более жесткие механические характеристики и позволяют обеспечить большой пусковой момент.

Электродвигатели постоянного тока применяются в качестве тяговых двигателей, в электротранспорте, в качестве различных исполнительных устройств.

Устройство двигателей постоянного тока

Конструкция двигателя постоянного тока аналогична двигателю переменного тока, но все же имеются существенные различия. На станине 7, которая изготавливается из стали, установлена обмотка возбуждения в виде катушек 6. Между основными полюсами, могут устанавливаться дополнительные полюса 5, для улучшения свойств ДПТ. Внутри устанавливается якорь 4, который состоит из сердечника и коллектора 2, и устанавливается с помощью подшипников 1 в корпус двигателя. Коллектор является существенным отличием от двигателей переменного тока. Он соединяется с щетками 3, что позволяет подавать или в генераторах, наоборот снимать напряжение с якорной цепи.

Принцип действия

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии магнитных полей обмотки возбуждения и якоря. Можно представить, что вместо якоря у нас рамка, через которую протекает ток, а вместо обмотки возбуждения постоянный магнит с полюсами N и S. При протекании постоянного тока через рамку, на нее начинает действовать магнитное поле постоянного магнита, то есть рамка начинает вращаться, причем, так как направление тока не меняется, то и направление вращения рамки остается прежним.

При подаче напряжения на зажимы двигателя начинает протекать ток в обмотке якоря, на него, как мы уже знаем, начинает действовать магнитное поле машины, при этом якорь начинает вращаться, а так как якорь вращается в магнитном поле, начинает образовываться ЭДС. Эта ЭДС направлена против тока, в связи с этим её называют противоЭДС. Её можно найти по формуле

Читайте также  Схема измерения сопротивления изоляции двигателя

Где Ф – магнитный поток возбуждения, n – частота вращения, а Cе это конструктивный момент машины, который остается для нее постоянным.

Напряжение на зажимах больше чем противоЭДС на величину падения напряжение в якорной цепи.

А если домножить это выражение на ток, то получим уравнение баланса мощностей.

Левая часть уравнения UIя представляет собой мощность подаваемая электродвигателю, в правой части первое слагаемое EIя представляет собой электромагнитную мощность, а второе IяRя мощность потерь в цепи якоря.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector