Электродвигатель постоянного тока работает от источников постоянного тока. В электродвигателе происходит превращение электрической энергии в механическую.

Электрический двигатель постоянного тока состоит из ротора (якоря) и статора (индуктора, магнита, обмотки возбуждения). Статор может быть либо постоянным магнитом, либо электромагнитом.

Якорь во многих электродвигателях представляет собой проволочные петли, надетые на сердечник из мягкого железа, на котором реверсируется питание его обмотки (посредством коммутатора или управляющей электронной схемы).

Большинство двигателей, работающих на постоянном токе, имеют коммутатор, состоящий из коллектора и щеток. Щетки установлены на статоре и не вращаются, а коллектор соединен с катушкой установленной на роторе (якоре).

Современные бесколлекторные двигатели (или бесщеточные двигатели, BLDC) имеют якорь из постоянных магнитов и не имеют коллектора и щеток, а работают со специальной электронной схемой.

Якорь двигателя двигателя постоянного тока имеет очень низкое сопротивление. По этой причине при запуске двигателя последовательно с ним включается переменное сопротивление, которое выводится по мере того, как якорь набирает скорость.

Когда проводник с током вносится в магнитное поле, на него начинает действовать сила, зависящая от трех факторов: от напряженности поля, от величины тока и от длины проводника.

Сила, приводящая во вращение якорь электродвигателя, зависит от тех же трех факторов. При этом эффективная длина обмотки приблизительно равна удвоенной длине якоря, умноженной на число витков.

Двигатель постоянного тока в разобранном виде

Электромагнит двигателя постоянного тока можно возбудить тремя различными способами, и в каждом из этих способов возбуждения двигатель работает по-разному.

Обмотка электромагнита и якорь могут быть соединены тремя способами: последовательно (сериесное возбуждение), параллельно (шунтовое возбуждение) и смешанно (компаунд-возбуждение).

В электродвигателе постоянного тока с последовательным возбуждением весь ток проходит как через якорь, так и через обмотку электромагнита.

Следовательно, вращающий момент, действующий на якорь, изменяется пропорционально квадрату тока, поскольку крутящее усилие зависит от тока в якоре и от напряженности магнитного поля, которая линейно меняется в зависимости от тока в обмотке электромагнита.

В результате, когда действие большой нагрузки замедляет вращение якоря двигателя с последовательным возбуждением, так что обратная э. д. с. становится малой, то через якорь и обмотку электромагнита идет сильный ток, создающий значительную силу для вращения якоря.

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением используются в трамваях, электровозах, автомобильных стартерах и в других машинах, которые работают в условиях быстро прикладываемых значительных нагрузок.

Обычно такие двигатели соединяются с приводимыми в движение машинами с помощью шестереночных, а не ременных передач, поскольку если при работе двигателя нагрузка на него резко снижается, то двигатель разгоняется до опасной скорости (они не имеют ограничения скорости) . На холостом ходу двигатель может работать на высоких оборотах, когда существует риск механического разрыва ротора с возможным травмированием оператора.

Современные технологии с преобразователем частоты позволяют полностью и в равной степени заменить такие двигатели на трехфазные асинхронные двигатели, а в последних разработках — на трехфазные синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе.

Обладая такой же мощностью и такими же характеристиками крутящего момента, они меньше, легче и позволяют рекуперацию энергии, если это позволяют условия эксплуатации источника питания.

Схема подключения электродвигателя

В двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением ток разветвляется, одна часть его идет через якорь, а другая — через обмотку электромагнита. При этом полный ток в обеих ветвях равен току, питающему двигатель.

В результате вращающий момент якоря пропорционален первой степени тока, тогда как в двигателях с последовательным возбуждением этот момент меняется как квадрат тока.

Когда якорь двигателя с параллельным возбуждением начинает вращаться медленнее при повышении нагрузки на двигатель, через якорь пойдет больший, а через обмотку электромагнита — меньший ток.

В результате вращающий момент останется неизменным. Поэтому двигатель в течение всего времени, пока к нему приложена нагрузка, будет работать на скорости, пониженной по сравнению с его холостым ходом.

Такое подключение двигателя позволяет независимо регулировать и определять ток в обмотке возбуждения статора и обмотке ротора (якорь). Это позволяет изменять скорость и крутящий момент двигателя.

Двигатели с параллельным возбуждением непригодны для больших нагрузок. По этой причине они находят применение в таких установках, где нагрузка постоянная и где требуется постоянная скорость вращения, например электрических вентиляторах, воздуходувках, жидкостных насосах и т. п.

Электродвигатели постоянного тока со смешанным возбуждением имеют две обмотки возбуждения (одну для параллельного включения, другую — для последовательного). Они не разгоняются при ослаблении нагрузки и вместе с тем пригодны для больших нагрузок. Почему это так, предоставляю объяснить читателю и поделиться своими идеями в комментарии к статье.

Двигатели этого типа применяются в подъемниках, штамповочных прессах и других машинах, где в начальный момент работы машины необходимы значительные усилия. Последовательное возбуждение во многих случаях выключается после набора двигателем определенной скорости.

Вопрос. Какого вида возбуждения двигатель постоянного тока показан на фотографии в статье?

Источник

СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК ЯКОРЯ И ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цепь обмотки возбуждения может получать питание от специального источника постоянного тока и не иметь электрического соединения с обмоткой якоря. Такие машины называют маши­нами, независимого возбуждения.

Рис. 1. Схема машины независимого возбуждения

U — напряжение на зажимах машины,

I_A,I_B,I_нагр — токи в целях якоря, возбуждения и нагрузки,

R_нагр — сопротивление нагрузки,

r_рв — сопротивление регулирующего реостата в цели возбуждения

Но обычно обмотка возбуждения имеет электри­ческое соединение с обмоткой якоря.

В зависимости от способа этого соединения различают три типа машин постоянного тока.

1. Машины параллельного возбуждения (шунтовые).

Оба зажима обмотки возбуждения непосредственно присоединены к щеткам, наложенным на коллектор. Полюсные катушки этих машин имеют много витков из тонкого про­вода.

2. Машины после­довательного возбуждения (сериесные).

Обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря. Полюсные катушки этих машин имеют мало витков из толстого провода.

3. Машины смешанного возбуждения (компаундные).

На каждом полюсном сердечнике этих машин имеется две, полюсные катушки по типу шунтовой и сериесной. Шунтовая об­мотка возбуждения компаундной машины соединяется парал­лельно якорной обмотке, а сериесная — последовательно.

Способ соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря оказывает сильное влияние на электрические свойства генерато­ров и механические свойства двигателей постоянного тока.

Источник

Якорные обмотки и обмотки возбуждения

Дополнительно по теме

СХЕМЫ ЯКОРНЫХ ОБМОТОК МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ОБМОТОК ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

Якорные обмотки машин переменного тока

1. Общая характеристика якорных обмоток.

Якорной обмоткой переменного тока называется состоящая из отдельных катушек обмотка, в которой индуктируется э. д. с. и которая имеет одну или несколько фаз. К якорным обмоткам относятся обмотки статоров (якорей) асинхронных и синхронных машин и обмотки фазных роторов асинхронных машин. Многофазные симметричные обмотки с числом фаз m состоят из m идентичных обмоток фаз, или фазных обмоток, которые сопрягаются либо в многоугольник (при m = 3 — треугольник), либо в звезду. Обмотки фаз взаимно смещены на угол 360/m эл. град, Обмотка фазы образуется из отдельных катушек и катушечных групп, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно, либо последовательно-параллельно, но так, что протекающий по обмотке ток создает магнитное поле с заданным числом p периодов, т. е. основная гармоническая магнитного поля обмотки (см. раздел) имеет 2р полупериодов (полюсов).

Катушки обмотки укладываются в пазы, выштампованные в сердечнике (магнитопроводе) якоря.

Витком обмотки называются два активных проводника, в которых индуктируется э. д. с, уложенных в два паза и последовательно соединенных друг с другом. Проводники, соединяющие активные проводники друг с другом, называют лобовыми частями обмотки.

Катушка представляет собой несколько последовательно соединенных витков, расположенных в одних и тех же пазах и имеющих общую изоляцию от стенок паза. Катушка может состоять из одного витка,

Прямолинейные части катушек, которые укладываются в пазы, называются пазовыми частями или катушечными сторонами.

Шаг катушки — расстояние между ее сторонами. Измеряется либо в долях полюсного деления, либо в зубцовых делениях (зубцовое деление — расстояние между двумя соседними зубцами сердечника, измеренное по поверхности сердечника якоря, обращенной к воздушному зазору). Шаг, равный полюсному делению, называют полным. Шаг, больший или меньший полюсного деления, именуют неполным.

Катушечной группой называют катушки одной фазы обмотки, расположенные в соседних пазах (и, как правило, последовательно соединенные друг с другом).

Катушки или катушечные группы соединяют в параллельную ветвь, под которой понимается цепь последовательно включенных катушек обмотки фазы, присоединяемых к ее внешним зажимам. Параллельная ветвь может состоять из нескольких или одной катушечной группы (или даже из одной катушки). Параллельные ветви образуются таким образом, чтобы как активные, так и индуктивные сопротивления всех ветвей были одинаковыми, а их э. д. с. в каждый момент времени совпадали по величине и направлению.

Часть окружности сердечника, приходящаяся на пазы, занятые катушечными сторонами одной катушечной группы, называется фазной зоной обмотки. Ширину фазной зоны выражают в электрических градусах основной гармонической по углу, соответствующему указанной части окружности.

Полюсным делением называют дугу окружности сердечника якоря, приходящуюся на один полюс основной гармонической поля.

Симметричная обмотка характеризуется тем, что э. д. с, наведенные во всех фазах обмотки, равны по величине, а э. д. с, наведенные в каждой паре соседних фаз, смещены во времени на один и тот же угол.

Обмотка переменного тока характеризуется:

а) числом пар полюсов p, на которое она выполнена;

в) числом пазов на полюс и фазу

где Z -число пазов сердечника;

г) шагом катушки (обмотки) у;

д) числом а параллельных ветвей фазы;

е) числом последовательно включенных витков w в параллельной ветви;

ж) сопряжением фаз.

Рис. 16-10. Однослойная (а) и двухслойная (б) обмотки.

2. Классификация обмоток.

Обмотки могут быть классифицированы по ряду важных признаков, определяющих их электромагнитные, конструктивные и технологические свойства:

по числу фаз — на однофазные и многофазные;

по числу слоев в пазу — на однослойные и двухслойные (рис. 16-10). Наиболее широко применяются двухслойные обмотки. Практически все электрические машины переменного тока средней и большой мощности выполняются с двухслойными обмотками. Главные преимущества двухслойной обмотки перед однослойной заключаются в возможности оказания существенного влияния на форму поля обмотки укорочением шага и в большей технологичности (все катушки имеют одинаковые размеры). Форма кривой магнитного поля почти всех типов однослойных обмоток от шага катушек не зависит;

по числу пазов на полюс и фазу q — на целые (q — целое число) и дробные (q — дробное число). Наибольшее распространение получили целые обмотки, в особенности в асинхронных машинах (для статоров и роторов) и в турбогенераторах. Дробные обмотки, форма э. д. с. которых лучше (ближе к синусоидальной), чем в целых обмотках, применяются преимущественно в многополюсных синхронных генераторах (гидрогенераторах) и двигателях. Однослойные обмотки выполняются, как правило, с целым числом q, двухслойные обмотки выполняются и с целым, и с дробным числом q;

по форме катушек (двухслойные обмотки) — на петлевые и волновые. При обходе фазы петлевой обмотки совершается движение петлеобразной формы, при обходе фазы волновой обмотки — движение волнообразной формы (см. п. 6, 7), Наибольшее распространение имеют петлевые обмотки;

по конструкции катушки (двухслойные обмотки) — на катушечные и стержневые. Катушечные обмотки имеют многовитковые катушки, стержневые — одновитковые. Катушка стержневой обмотки изготовляется из двух полукатушек, или стержней, которые закладываются в пазы и после этого с одной стороны соединяются между собой. Катушечные обмотки выполняются петлевыми, стержневые — в основном волновыми. Стержневые обмотки применяются для якорей крупных синхронных машин, а также для роторов средних и крупных асинхронных машин с контактными кольцами;

по технологии изготовления катушек (петлевые обмотки) — на мягкие и жесткие. Мягкие, или «всыпные», обмотки выполняются из провода круглого сечения и вкладываются («всыпаются») в полузакрытые пазы по одному проводнику; применяются в электрических машинах малой и средней мощности (примерно до 100 кВт). Жесткие обмотки выполняются из провода прямоугольного сечения, полностью формуются до укладки в пазы (открытые или полуоткрытые); применяются в электрических машинах средней и большой мощности низкого и высокого напряжения;

по шагу обмотки — с полным и неполным шагом. Двухслойные обмотки обычно выполняются с укороченным шагом . Наиболее распространенные однослойные обмотки хотя и имеют катушки с шагом, отличным от полного, в электромагнитном отношении являются обмотками с полным шагом (см. п. 5). Однослойные обмотки с укороченным шагом практического применения не находят.

3. Форма пазов сердечников.

В сердечниках для укладки обмотки применяются полузакрытые, полуоткрытые и открытые пазы (рис. 16-18).

У полузакрытых пазов ширина шлица несколько больше диаметра изолированного провода, из которого намотана мягкая катушка обмотки. Полузакрытые пазы применяются в электрических машинах мощностью примерно до 100 кВт.

У полуоткрытых пазов ширина шлица несколько больше половины ширины паза. Такие пазы применяются для машин мощностью 100-400 кВт и напряжением до 550 В, имеющих жесткую обмотку, каждая катушка которой подразделяется на две конструктивно самостоятельные части.

Открытые пазы применяются обычно в высоковольтных машинах (3300 В и выше), обмотки которых состоят из жестких катушек, полностью изолированных до укладки в пазы.

Ширина шлица паза влияет на свойства машины и определяется как из расчетных соображений, так и в зависимости от конструкции катушки.

4. Принцип составления схемы обмютки.

Схема обмотки составляется таким образом, чтобы при заданном числе пазов (а в двухслойных обмотках — и при предварительно выбранном шаге обмотки) основная гармоническая магнитного поля наводила в фазе обмотки максимальную э. д. с. В этом случае коэффициент распределения обмотки (см. раздел) для основной гармонической поля или н. с. получается максимальным.

Составление схемы обмотки или распределение пазов по фазам удобно производить с помощью звезды векторов пазовых э. д. с. обмотки. Пусть, например, нужно распределить пазы по фазам трехфазной обмотки (m=3), имеющей число полюсов 2p=8 и уложенной в сердечник с числом пазор Z = 48. Сдвиг по фазе э. д. с. проводников, расположенных в соседних пазах, равен:

На рис. 16-11, а построена звезда векторов э. д. с, которые наводятся основной гармонической поля в проводниках обмотки. Рядом с каждым вектором указан номер паза, которому он соответствует. Начало нумерации пазов выбирается произвольно. После обхода пазов, расположенных на двух полюсных делениях, т. е. в пределах полного электрического угла 360 эл. град, звезда векторов пазовых э.д.с. при целом числе q повторяется (векторы 13, 14. 48 накладываются последовательно на векторы 1, 2, . 12). Чтобы э. д. с. обмотки фазы была наибольшей, в нее следует включить проводники, геометрическая сумма э. д. с. которых максимальна. В соответствии с этим для распределения проводников по фазам надо разделить звезду векторов пазовых э. д. с. на шесть равновеликих секторов по 60 эл. град и отнести к каждой фазе проводники, векторы э. д. с. которых расположены в противоположных секторах звезды. При этом проводники, векторы э. д. с. которых находятся в противоположных секторах звезды, должны быть включены встречно. Такое включение соответствует повороту векторов э. д. с. проводников на 180 эл. град. При встречном включении проводников, соответствующих векторам, например нечетных секторов звезды, диаграмма приобретает вид, показанный на рис. 16-11, б. В каждой фазе э. д. с. равна сумме векторов э. д. с, наведенных в проводниках этой фазы, а взаимный сдвиг во времени э. д. с. обмоток фаз равен взаимному сдвигу суммарных векторов э. д. с. проводников фаз. При составлении схемы обмотки указанным способом взаимный сдвиг между э. д. с. обмоток фаз получается равным 120 эл. град. На рис. 16-12 показана схема однослойной обмотки, соответствующая звезде векторов пазовых э. д. с. на рис. 16-11, б.

В каждом секторе звезды рис. 16-11, а имеется q лучей, на которых располагаются векторы пазовых э. д. с. Двум полюсным делениям, или 360 эл. град, соответствуют 6q пазов, а значит, и 6q векторов звезды. Следовательно, в пределах одного полюсного деления каждой фазе соответствуют q пазов, расположенных в пределах угла 60 эл. град. Такие обмотки называют обмотками с 60-градусной фазной зоной. Помимо обмоток с 60-градусной фазной зоной встречаются трехфазные обмотки со 120-градусной фазной зоной, а также обмотки с неравновеликими фазными зонами. Однако наиболее употребительными являются обмотки с 60-градусной фазной зоной, имеющие максимальный коэффициент распределения для основной гармонической магнитного поля или н. с.

Рис. 16-11. Звезда векторов пазовых э. д. с. обмотки: Z=48, 2р=8.

Рис. 16-12. Схема однослойной концентрической трехплоскостной обмотки: Z=48, 2р=8, m=3, q=2.

5. Однослойные обмотки.

Из множества типов однослойных трехфазных обмоток наибольшее распространение получили трехплоскостные концентрические обмотки (рис. 16-12). Обмотка каждой фазы образуется из p катушечных групп; в группу входят q концентрически расположенных катушек различного шага. Лобовые части катушек одной фазы располагаются в одной плоскости; в трехфазной обмотке лобовые части фаз располагаются в трех плоскостях. Полное число катушек обмотки равно 1/2Z = pqm. При нечетном числе q шаг средней катушки катушечной группы равен t, шаги внутренних катушек меньше t, а шаги внешних катушек больше t. При четном числе q одна половина катушек имеет шаги, меньшие t, а вторая половина катушек — большие t.

Катушки одной катушечной группы включаются согласно, так что ток протекает в них в одном направлении. Соседние катушечные группы фазы включаются в схему обмотки согласно, т. е. ток протекает во всех катушечных группах в одном направлении (например, от начала катушечной группы к ее концу). При последовательном соединении катушечных групп фазы начало катушечной группы, расположенной внутри фазы, соединяется с концом предыдущей группы, а конец — с началом последующей группы. При параллельном соединении катушечных групп отдельно соединяются их начала и концы.

При последовательном включении всех катушечных групп фазы она имеет одну параллельную ветвь (а=1). Максимально возможное число параллельных ветвей равно числу катушечных групп фазы (амакс=р). При числе (и не являющемся простым числом) возможно последовательно-параллельное включение катушечных групп, при котором 1 1). Полное число катушечных групп трехфазной обмотки 6р. Число «чередований» всей обмотки 6р/d. (При b = 0 обмотка состоит только из «больших» групп по одной катушке в каждой).

Условия симметрии обмотки:

1. 2p/d равно целому числу;

2. d/m равно дробному числу (знаменатель дробности d не должен быть кратен числу фаз).

Максимальное число параллельных ветвей обмотки фазы амакс = 2р/d Любое возможное меньшее число параллельных ветвей а определяется из условия: 2p/ad равно целому числу.

Схема обмотки может быть составлена, как и схема обмотки с целым числом q (п. 6), при помощи звезды векторов катушечных э. д. с. На рис. 16-15,6 построена звезда векторов катушечных э. д. с. трехфазной обмотки по рис. 16-15га. Катушки, векторы э. д. с. которых располагаются в противоположных 60-градусных секторах звезды, образуют одну фазу. Катушки одного сектора включаются согласно друг с другом, а катушки противоположных секторов — встречно. За начальную катушку обмотки фазы может быть выбрана любая катушка, принадлежащая фазе.

Способ составления схемы дробной обмотки по звезде векторов катушечных э. д. с. при больших числах d оказывается громоздким. Предложены другие способы составления схемы обмотки. Один из простых способов заключается в следующем.

1. Определяются числа катушек в «малой» группе b и в «большей» группе b+1.

2. Записывается ряд из с чисел:

Каждое дробное число заменяется ближайшим большим целым числом и в результате получается ряд из с чисел:

Этот ряд чисел указывает номера «больших» групп в порядке следования катушечных групп всех фаз вдоль окружности сердечника для одного «чередования» обмотки.

3. Начиная с произвольной исходной катушки составляются «малых» катушечных групп по b катушек в каждой. Следующая катушечная группа — «большая» — состоит из b+1 катушек. Далее аналогичным образом формируются следующие катушечные группы; группы с номерами N2, N3, . d — «большие», остальные группы — «малые». В таком же порядке составляются еще 2 «чередования» обмотки (имеется в виду трехфазная обмотка).

4. Составляются схемы обмоток фаз. В одну фазу включается каждая третья катушечная группа. Соседние катушечные группы включаются встречно.

Пример. Z=57, 2р=8; m=3; (b=2; c=3; d=8).

Число катушечных групп в первоначальной обмотке

Число катушек в «малых» группах

в «больших» группах

Номера «больших» катушечных групп в одном чередовании определяются рядом чисел

после округления дробных чисел до ближайших больших целых чисел: 3; 6; 8.

Число «чередований» всей обмотки

Распределение катушечных групп вдоль окружности якоря (цифра указывает число катушек в катушечной группе; чертой разделены «чередования» ):

22322323 | 22322323 | 22322323.

9. Двухслойные волновые обмотки с дробным числом q.

Применяются в основном для статоров мощных синхронных гидрогенераторов в тех случаях, когда по некоторым соображениям, главным образом экономическим и технологическим, они более целесообразны, чем петлевые обмотки с дробным числом q. При знаменателе дробности d=2 они применяются также для роторов асинхронных двигателей с контактными кольцами, когда один штамп используется для изготовления листов сердечников двигателей с различными числами полюсов, при одном из которых число q оказывается дробным. Двухслойные волновые обмотки с дробным числом q выполняются стержневыми.

Условия симметрии и способы составления параллельных ветвей для волновой дробной обмотки такие же, как и для петлевой дробной обмотки (см. п. 8).

Схема обмотки может быть составлена при помощи звезды катушечных э. д. с. Первый частичный шаг у1 не может быть равен t. Его выбирают либо укороченным (у1 t).

В обмотках гидрогенераторов обычно отношение у1/t при у1

Источник