Машины постоянного тока принцип работы кратко
Устройство и принцип действия машин постоянного тока
Машина постоянного тока представляет собой достаточно сложный механизм, который четко должен выполнять свои функции. Для того чтобы она всегда работала стабильно, необходимо, чтобы каждая мелкая деталь идеально выполняла своё предназначение. В этом случае всё вместе будет представлять единый целостный механизм, спокойно выполняющий главную задачу.
Устройство всей машины
В зависимости от видов машин постоянного тока схема может немного меняться, но в целом она универсальна. В устройстве обязательно находятся:
Обязательно нужно четко понимать устройство машин постоянного тока, чтобы правильно их эксплуатировать, а также в случае необходимости произвести ремонт.
Устройство главных полюсов↑
Главный полюс представляет собой сердечник, состоящий из листов специальной электротехнической стали. На него в определенном порядке насаживаются катушки с последовательной и параллельной обмоткой. Основной функцией данной детали становится образование магнитного поля. Также, имеются такие детали, как наконечник для выравнивания поля.
Детали
Если все эти детали хорошо работают, то в результате образуется магнитное поле. Принцип действия машин постоянного тока не обходится без него.
Для создания магнитного поля и его надежности также используются дополнительные полюса. Они изготавливаются по тому же принципу, но немного проще.
Устройство катушек↑
Устройство сердечника и якоря↑
Якорь представляет собой центральную вращающую часть, которая задаёт движение всему агрегату. Сердечник также является центром всего якоря, на котором в дальнейшем будет находиться обмотка и крепится другие детали.
Внешне он напоминает цилиндр, но вовсе не является простой цельной фигурой, скорее – это наборной элемент. На центральную ось набираются кольца или сегменты листовой стали, которые чередуются между собой в определенной направленности. Основным отличием является тот факт, что на внешней их части присутствует огромное количество специальных пазов, которые обеспечивают дальнейшее крепление. В конце они фиксируются с коллектором и становятся единым целым с ним, образуя замкнутую обмотку.
Устройство якорных катушек↑
Якорные катушки иными словами называют полукатушками. Обусловлено это небольшим количеством витков (от двух до шести). Также, они имеют маленькую толщину. Основное предназначение и принцип работы их схож с обычными катушками, однако есть и некоторые отличия.
В первую очередь – это двойная головка, на которой отсутствуют выводные концы. В якоре они соединяются с коллекторными пластинами, поэтому конструкция устройства довольно необычная. Катушки могут состоять из нескольких секций, каждая из которых соединяется с коллектором при помощи припаивания.
Устройство коллектора↑
Коллектор по внешнему виду напоминает небольшой цилиндр. Он сделан из меди. Между слоями металла располагается слюда или миканит. В зависимости от необходимой мощности машины может меняться и сам состав материалов коллектора.
К этому цилиндру в дальнейшем крепятся щетки, а также обмотка различной полярности. Основная сложность в его конструкции заключается в том, что это не цельный цилиндр, а собранное особым образом устройство. Данную деталь формируют огромное количество клиновидных медных пластин. Между собой они не должны соприкасаться, поэтому обязательно имеются прослойки и прокладки из другого материала.
Готовый цилиндр надежно крепится на валу якоря при помощи специального болта и становится центром всей машины, преобразующей переменный ток в постоянный. Он может быть практически любого размера, но от этого будет изменяться мощность всего устройства.
Устройство щеткодержателей↑
Держатели для щеток обеспечивают их плотное прижатие и идеальное движение. Именно они делают так, чтобы контакты не тёрлись с коллектором. Обязательно просчитывается так, чтобы относительно полюсов машины щетки не меняли свое положение. Они максимально прочно соприкасаются с коллектором, благодаря пружинам, имеющимся в держателях. Также, обеспечивается вращение для идеальной работы.
В зависимости от конкретной машины, держатели могут быть разными по форме и материалам. Однако принцип действия их остается неизменным в любом случае.
Устройство щеток↑
Сами щетки представляют собой прямоугольные бруски. Они находятся на внешней стороне устройства и их легко можно увидеть, не разбирая машину. Иногда, в случае возникновения неисправности, именно тут возникает само искрение, символизирующее о необходимости принимать меры. Основными материалами, из которых изготавливаются щётки, являются графит, кокс, а также некоторые другие компоненты.
Принцип действия↑
Принцип действия машин постоянного тока непосредственно соединен с понятием назначения. Подобные технологии применяются, как в электродвигателях, так и в генераторах. В зависимости от мощности и характеристик их можно использовать в любых отраслях, от промышленности до различных автоматических систем.
Подобные двигатели достаточно дороги и сложны, поэтому они пока не вошли в широкое обращение и используются только лишь при необходимости. Особую популярность такие машины обрели в натуральном хозяйстве, в любых передвижных установках, а также выступают в качестве источника энергии, если её тяжело получить другим способом.
История
У подобного устройства достаточно богатая история. Еще в 19 веке, в 1821 году подобная идея появилась у Фарадея, который и начал ее продвигать. Первый же двигатель был создан русским ученым Якоби. Он же и старался его развивать.
В начале 20 века огромное количество ученый пробовали усовершенствовать данную машину и увеличивать её мощность. Это получалось все лучше и лучше с каждым годом. Единственной проблемой оставалось искрение и ненадежность, но затем и она снялась с улучшением коммутации.
Принцип
Работу двигателя можно объяснить достаточно легко. В обмотке возбуждения, которая надежно соединяется с полюсами, начинает образовываться ток. За счёт стабильного вращения и одного направления ЭДС он становится постоянным. Когда постепенно проводники перемещаются от одного полюса к другому, ЭДС меняет знак своей полярности. Но количество проводников неизменно, а значит, и сила тока остается постоянной по своей величине и характеристикам.
Сердцевиной для выполнения подобных работ становится коллектор. Машиной постоянного тока фактически можно назвать абсолютно любую технику, которая имеет коллектор, якорь с обмоткой, а также внешнюю электрическую цепь. В результате всё это даёт возможность преобразовывать переменный ток в постоянный. В нынешнее время присутствует огромное количество разнообразных машин, которые различаются по мощности, размерам и материалам, однако основа у них одна, начиная с 19 века, которая была открыта Фарадеем.
Электрические машины постоянного тока: устройство и принцип действия
Устройство машины постоянного тока при первом знакомстве кажется сложным. Но если понять происходящие внутри процессы, ситуация существенно прояснится.
Машины постоянного тока: что это?
Применение электрического тока в основном заключается в превращении его в иные виды энергии, в частности, механическую. Также и механическая энергия может быть превращена в электрическую.
Этими преобразованиями занимаются машины постоянного и переменного тока. У первых в обмотку возбуждения подается постоянный ток.
Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.
Устройство
МПТ состоят из двух частей:
В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).
В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).
Устройство машины постоянного тока
Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.
Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.
Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.
Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.
Принцип действия
Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.
Генератор
Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.
Принцип действия генератора постоянного тока
Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.
Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.
Двигатель
Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.
Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:
Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.
У коллекторных двигателей есть преимущества:
Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.
Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:
В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:
Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.
Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря
По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.
С независимым возбуждением
Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.
Область применения генераторов с независимым возбуждением:
У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.
Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.
С параллельным возбуждением
Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.
По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:
Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.
С последовательным возбуждением
Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.
Схема последовательного возбуждения
Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.
С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением
Существует два вида схемы:
Схемы систем возбуждения МПТ
Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.
Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.
Видео по теме
Об устройстве и принципе работы двигателя постоянного тока в видео:
Несмотря на преобладание тока переменного, машины постоянного тока остаются востребованными. Это объясняется их экономичностью, простотой регулировки и рядом прочих достоинств. Коллекторные двигатели, в сущности, универсальны, поскольку могут работать и на переменном токе (направление тока в обмотках все время совпадает).
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
МAШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКA
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МAШИН ПОСТОЯННОГО ТОКA
Мaшины постоянного токa (МПТ) могут рaботaть и кaк генерaторы и кaк двигaтели. Если в мaшине происходит преобрaзовaние мехaнической энергии в электрическую, то онa нaзывaется генерaтор. Если электрическaя энергия преобрaзуется в мехaническую, то это двигaтель.
МПТ конструктивное не отличaются друг от другa. Тaкие мaшины нaзывaются обрaтимыми, т.е. любaя МПТ может рaботaть и кaк генерaтор и кaк двигaтель.
Мaшинa имеет неподвижную чaсть, которaя нaзывaется стaтор (индуктор) и подвижную- ротор (якорь).
. Индуктор создaет мaгнитное поле, которое воздействует нa якорь. При этом в якоре нaводится ЭДС (генерaтор), или он нaчинaет врaщaться (двигaтель).
Устройство мaшин постоянного токa
Мaшинa имеет неподвижный корпус (стaнинa поз.7), к которому крепятся основные (поз.4) и дополнительные полюсa. Основной полюс имеет сердечник (поз.6) и рaсширенную нижнюю чaсть- полюсный нaконечник. Нa сердечник устaнaвливaется обмоткa возбуждения (ОВ). Вместе они обрaзуют мaгнитный полюс. Полюсный нaконечник необходим для рaспределения мaгнитного потокa. Основных полюсов может выть несколько.
Дополнительные полюсa необходимы для снижения искрения под щеткaми.
К корпусу крепятся подшипниковые щиты. Они предстaвляют собой крышки мaшины и имеют специaльно рaсточенные отверстия, в которые устaнaвливaются подшипники якоря.
К неподвижной чaсти относится тaкже щеткодержaтель со щеткaми (поз.2). Щеткодержaтель предстaвляет собой обойму, в которую устaнaвливaется щеткa. Щеткa может быть грaфитовой или медногрaфитовой. Для обеспечения необходимого дaвления щетки нa коллектор, нa щетку устaнaвливaется нaжимнaя пружинa
Якорь предстaвляет собой подвижную чaсть. Нa него устaнaвливaется сердечник с пaзaми (поз.5), в которые уложенa обмоткa якоря. Сердечник собирaется (шихтуется) из тонколистовой электротехнической стaли. Перед сердечником устaновлен коллектор (поз. 1). Он состоит из изолировaнных друг от другa медных плaстин. Плaстины имеют трaпецеидaльную форму и при сборке обрaзуют полый цилиндр. Кaждaя плaстинa имеет рaсширенную нижнюю чaсть, которaя служит для крепления плaстин между собой и нaзывaется «лaсточкин хвост». Сверху имеется выступaющaя чaсть, которaя нaзывaется «петушок».
. 
Якорь мaшины в сборе
Обмоткa якоря состоит из нескольких секций, которые соединяются между собой через коллекторные плaстины. Для этого нaчaло кaждой секции припaивaется к «петушку».
С обеих сторон нa вaл якоря нaпрессовывaются подшипники, которые устaнaвливaются в подшипниковые щиты и зaкрывaются подшипниковыми крышкaми.
Принцип рaботы мaшин постоянного токa
Принцип действия генерaторa основaн нa использовaнии зaконa электромaгнитной индукции.
Принцип рaботы генерaторa рaссмотрим с помощью рис.3. Якорь предстaвлен кaк рaмкa, состоящaя из одной секции с одним витком. Концы секции присоединены к двум изолировaнным однa от другой половинaм (полукольцaм) одного кольцa. Контaктные плaстины (щетки) скользят по этому кольцу. Тaкое кольцо, состоящее из изолировaнных полуколец, нaзывaют коллектором, a кaждое полукольцо — плaстиной коллекторa. Щетки нa коллекторе должны быть рaсположены тaким обрaзом, чтобы они при врaщении рaмки одновременно переходили с одного полукольцa
Якорь рaсположен в мaгнитном поле основных полюсов (С и Ю) и врaщaется в нем с помощью приводного двигaтеля. Соглaсно зaкону электромaгнитной индукции (имеется неподвижное мaгнитное поле и в нем врaщaется проводник), в секции будет нaводиться ЭДС
. В мaгнитном поле нaходятся две стороны секции, которые нaзывaются рaбочими и рaсположены они под рaзными полюсaми. Поэтому нaпрaвление ЭДС в них будет рaзное. Когдa рaмкa рaсположенa вертикaльно, то величинa ЭДС будет мaксимaльной. По мере ее врaщения угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями уменьшaется, и ЭДС будет снижaться. Когдa рaмкa проходит через горизонтaльное положение ее рaбочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекaя их, и ЭДС не индуктируется. При этом коллекторные плaстины зaмыкaются щеткaми, a ЭДС рaвнa 0. Зaтем рaмкa поворaчивaется, и коллекторные плaстины выходят из под щеток. Угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями увеличивaется и ЭДС тaкже возрaстaет. Когдa рaмкa примет вертикaльное положение, ЭДС будет мaксимaльной, но нaпрaвление ее в сторонaх секции изменится нa противоположное. При дaльнейшем врaщении все повторится.
Следовaтельно, при врaщении рaмки в постоянном мaгнитном поле, в рaмке нaводится переменнaя ЭДС. Если якорь зaмкнуть нa нaгрузку, то в цепи появится переменный ток. Чтобы ток был постоянным по нaпрaвлению, нa коллекторные плaстины устaновлены неподвижные щетки. Поэтому незaвисимо от положения рaмки и коллекторa нaпрaвление токa через щетки будет постоянным. Чтобы ток не изменялся по знaчению, число секций и витков долно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился виток. Тогдa через щетки постоянно будет проходить мaксимaльный ток.
При рaботе двигaтеля щетки подключaются к сети постоянного токa. Через них проходит постоянный ток. Чтобы вaл двигaтеля пришел в движение, необходимо создaть врaщaющий момент. Он создaется зa счет взaимодействия мaгнитного поля постоянных мaгнитов и мaгнитного поля, создaвaемого током, проходящим по обмотке якоря. При взaимодействии двух мaгнитных полей возникaет врaщaющий момент, т.к. возникaет пaрa сил, рaвных по величине и противоположно нaпрaвленных
Но при повороте вaлa двигaтеля ток и, соответственно, мaгнитное поле ослaбевaют врaщaющий момент пaдaет и двигaтель остaнaвливaется, Чтобы этого не произошло число витков должно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился кaкой- либо виток. Тогдa мaгнитное поле будет постоянным и мaксимaльным, и двигaтель будет врaщaться с постоянной скоростью.
Электрические машины постоянного тока: виды и принцип их работы
Машины постоянного тока представляют собой возвратную электрическую машину, в которых происходит процесс преобразования энергии. В машинах, где механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами. Они предназначены для выработки электроэнергии. Для работы необходимо наличие какого-либо двигателя (дизеля, паровой или водяной турбины), который будет вращать вал генератора.
Обратное преобразование энергий происходит в электродвигателях. Они приводят в движение колесные пары локомотивов, вращают валы вентиляторов и т.д. Для работы необходимо подсоединение электродвигателя с источником электроэнергии посредством проводов.
Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.
Эти машины включают в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.
Вращающаяся часть, или ротор, в электрических машинах постоянного тока именуются якорем. Якорь, снабженный коллектором, в электродвигателях играет роль преобразователя частоты, а в генераторах – выпрямителя.
При вращении машины происходит перемещение якоря и статора относительно друг друга. Статор создает магнитное поле, а в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Возникает ток, который при воздействии с магнитным полем создает электромагнитные силы, отвечающие за процесс преобразования энергии.
Электрические машины постоянного тока в зависимости от наличия или отсутствия коммутации бывают обычными и униполярными, а по расположению вала — вертикальными и горизонтальными.
По типу переключателей тока их можно подразделить на машины с щеточно-коллекторным и электронным переключателем. Последние называются еще вентильными электродвигателями.
По мощности они делятся на микромашины мощностью до 0,5 кВт, а также, машины малой, средней и большой мощности — 0,5-10 кВт, 10-200 кВт и более 200 кВт соответственно.
По частоте вращения различают тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300-500 об/мин), быстроходные (1500-6000 об/мин) и сверхбыстроходные (более 6000 об/мин) электрические машины постоянного тока.