Как работает коллекторный двигатель со щеточным механизмом в бытовой технике

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

  • где M – вращающий момент, Нм,
  • F – сила, Н,
  • r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент Мном, Нм, определяют по формуле

,

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

,

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

где – угол, рад,

,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

  • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 — подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 — полезная мощность (), Вт
  • При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

  • где J – момент инерции, кг∙м2,
  • m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

где – угловое ускорение, с-2

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Физический принцип работы электродвигателя постоянного тока

Если мы вспомним закон Ампера, то будет понятно, что на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Именно это обстоятельство позволяет получить вращающийся якорь.

Вспомним самый простой опыт, который показывают школьникам. Рамку с током помещают в магнитное поле и она начинает двигаться. Правда двигается она недолго, а скорее дергается. Всему виной несовпадение векторов. Размести мы магниты слегка иначе и получили бы постоянное движение.

Силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки, будут создавать вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, силе тока в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.

Рамка с током в магнитном поле

В представленной ситуации рамка будет вращаться только тогда, когда вектора Fа будут не деформировать её, а придавать вращательное движение.

Вот так крутится рамка

Для этого в данном примере рамку нужно повернуть на 90 градусов. Теперь представим, что якорь нашего двигателя весь состоит из таких рамок, их очень много. Это улучшит процесс движения.

Вот и получился самый простой электрический двигатель постоянного тока.

Теперь представим, как будет выглядеть поведение такого двигателя при включении в цепь с переменным током. Он начнет танцевать в разные стороны. Ведь переменный электрический ток отличается тем, что регулярно меняет своё направление. Рамка с током, через которую он проходит, будет также менять направление своего движения. Крутиться равномерно такая штука не сможет. Поэтому, в переменных сетях используется двигатели переменного тока. Двигатель постоянного тока конечно же сможет работать в переменной сети, но для этого нужно использовать выпрямитель перед ним.

Правда бывают и универсальные электродвигатели, которые одинаково комфортно юзаются и там, и там. Но про это чуть позже.

Как разобрать бытовой прибор, содержащий электродвигатель

Многочисленные кухонные комбайны и блендеры устроены специально таким образом, чтобы нельзя оказалось разобрать. Это обеспечивает гарантийные мастерские стабильным заработком – а те уже отстёгивают фирмам за руководства по сервисному обслуживанию и лицензию. Вот и ломают головы хозяева, как заменить подшипник.

Ротор двигателя U – 8830

Сейчас опишем процесс замены подшипника в электрическом двигателе кухонного комбайна Philips, модель U – 8830. Обнаружите, что модификации указанного мотора широко применяются в блендерах мясорубках и прочих приборах. Отличия преимущественно касаются вала. В рассматриваемом случае на одной стороне насажена шестерня конической форму, с противоположной – привод для ножей с ограничением вращения. Когда электрический двигатель U – 8830 снят, начинаем. Не спешите раскручивать винты, это пока безрезультатно. Рассмотрим конструкцию электрического двигателя U – 8830:

  • Оба конца вала заняты приводными шестернями, узкой серого цвета и конической формы и белой, широкой, в форме колеса.
  • Со стороны коллектора используется муфта. Назовём подшипником трения.
  • Щётки удерживаются пластинами, куда припаяны контакты. Ножка варистора подгибается сбоку, с внешней стороны (не знаем, зачем это нужно; чем плоха общая площадка для пайки).

  • Единственный шариковый подшипник качения в электродвигателе впрессован в станину противоположно к коллектору. Чтобы снять, потребуется разобрать полностью электрический двигатель!

Подшипник спрятан в станину

От коллектора широкое колесо привода сидит на левосторонней резьбе. Чтобы снять, ухватите конец длинную серую шестерню вала электрического двигателя в тиски. Потом начинайте вращать колесо против часовой стрелки, если смотреть со стороны коллектора

Осторожно! Гайка латунная и легко срывается

Широкое колесо привода

Теперь избавляемся от длинной серой шестерни. Проще сделать при помощи съёмника для подшипников. Нужно поддеть захватами резьбу, потом слегка подтянуть на себя. Деталь просто снимается. Допустимо попробовать использовать небольшой сантехнический ключ (см. фото). Обнаружили, что его губы помещаются между станиной и утолщением шестерни

Потребуется выставить гайкой ширину захвата и осторожно взяться у основания за резьбу. Не сжимайте слишком сильно, чтобы не повредить пластик

Осторожно начинайте покручивать шестерню против и по часовой стрелке, одновременно снимая с вала. Через время зазор между станиной увеличится, потом деталь спадёт с вала электрического двигателя

Частичный успех.

Латуневая щётка

Когда концы вала освобождены, займёмся щётками. Латунь занимает среднее место по прочности сгиба между алюминием и медью, действуем аккуратно. Шлицевой отвёрткой отгибаем зажимы и снимаем контактные площадки. Пружины и щётки выходят нехотя, допустимо помочь, просунув сбоку острый предмет. Теперь пора раскрутить станину на две части. Подшипник трения легко выходит из позиции, на валу остаётся противоположная половинка, куда впрессован подшипник качения.

Демонтаж щётки

Замена подшипника на валу электрического двигателя

Полагаем, для снятия годится стандартный инструмент (съёмник). Если похожего нет, придётся применить способ, посоветованный автомобилистами (см. фото):

Вал электродвигателя

  1. Берётся стандартный разводной гаечный ключ приличного размера, чтобы свободно входил в зазор между станиной и валом.
  2. Губа фиксируется. Окончание вала ставится на доску, потом лёгкими ударами подшипник сбивается вниз.

У авторов не нашлось разводного ключа, подходящего для процедуры. В хозяйстве нашёлся слишком большой, губы слишком плотно прилегают к обмоткам статора электрического двигателя, сдирая лаковую изоляцию. Недолго думая, нашли блок из бетона малой марки прочности. Потом ножками газового сантехнического ключа захватили станину с подшипником, как показано на фото, поверх вала положили кусок доски, сделали несколько ударов. С указанного конца деревяшку возможно не прокладывать, на краешке нет резьбы, а лишь фаска по фиксирующее кольцо.

Фиксирующая пластина

Подшипник намертво запрессован в станину. Как видно из снимков, прикрыт крышечкой, которая в процессе демонтажа успела слегка деформироваться и теперь едва-едва держится на четырёх заклёпках. Элемент однозначно снимается и выкидывается (либо монтируется на новые заклёпки). Подшипник вала электрического двигателя выбивается доступным способом из паза, допустимо использовать стандартный съёмник. Попробуйте использовать толстую деревяшку круглого сечения. На нашем электрическом двигателе подшипник в норме, ему перечисленные процедуры пока не грозят.

Обратите внимание, ниша под запрессовку слишком большая. Её высота превышает ширину подшипника

Полагаем, это связано с многоцелевым назначением электрического двигателя U – 8830. Полагаем, читатели уже забили подшипник на место, пора все собрать воедино. Запихиваем под шарики чуть-чуть Литола, прокручиваем пару раз. Если проверка подшипника электродвигателя прошла нормально, надеваем крышечку на заклёпки, либо оставляем и пробуем надеть на вал.

Захват вала ключом

Годится способ, изображённый на фото. Ручки газового сантехнического ключа ставятся на означенный выше кирпич, образуя захват. Вал со стороны коллектора снабжён левой резьбой, которую защищаем бруском древесины (на фото не показано). Несколько ударов, и деталь встанет на место, но! У вала со стороны подшипника нет ограничительной фаски, легко догнать его до упора и повредить лаковую изоляцию обмотки ротора электрического двигателя с необходимостью замены или перемотки.

Во избежание прокладываем в нужном месте кусок мягкой резины. Жёсткая (для половиков) в корне не годится. Либо контролируйте глубину забивания собственным способом. Если обнаружился перебор, берёмся вновь за газовый ключ и повторяем процедуру демонтажа станины электрического двигателя, но не полностью, а на пару-тройку миллиметров. Достигнув успеха, начинаем сборку вала. Рекомендуем первой собрать станину, потом закрепить щётки, надеть колесо с левосторонней резьбой. Последней монтируется коническая узкая серая шестерня.

Напоминаем, что на вал электрического двигателя она напрессовывается, а зажимного кольца в нашем комплекте уже изначально не было. На этом сборку считаем законченной. В довершение укажем причину использования закрывающей пластины: без нее для регулировки положения станины придётся использовать изощрённые средства. Подшипник туже сидит на валу, чем в своей нише, при попытке чуть увеличить расстояние до катушек коллектора начинает выскальзывать. Сложно задать правильную дистанцию. По указанной причине рекомендуем контролировать процесс обратной сборки электрического двигателя, чтобы не пришлось потом долго настраивать положение.

Постановка станина подшипника на место

Построение простого униполярного двигателя

Униполярный двигатель очень легко построить. Постоянный магнит используется для создания внешнего магнитного поля, в котором проводник будет вращаться, а батарея заставляет ток течь по проводящему проводу. Магнит не обязательно должен двигаться или даже контактировать с остальной частью двигателя; его единственная цель — создать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с магнитным полем, индуцированным током в проводе. Можно прикрепить магнит к батарее и позволить проводящему проводу свободно вращаться, замыкая электрическую цепь, касаясь как верхней части батареи, так и магнита, прикрепленного к нижней части батареи. При непрерывном использовании провод и аккумулятор могут нагреваться.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженной МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОЯ, создаваемые токами этих обмоток. Силовые линии первого из них направлены вдоль осей пары полюсов, через которые он замыкается, как это показано на фигуре 1 на рисунке ниже. Такой поток возбуждения называется продольным. Если полюсов в МПТ больше двух, то в воздушном зазоре под наконечником каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОЯ замыкаются поперек оси полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном поле якоря, которое показано на фигуре 2 на том же рисунке.

Поток якоря суммируется с потоком возбуждения, образуя результирующий поток. В этом проявляется реакция якоря машины постоянного тока, заключающаяся в воздействии поперечного поля на продольное поле возбуждения, силовые линии которого при этом искажаются, сгущаясь возле одного края полюса и разреживаясь возле другого. В ГПТ сгущение силовых линий поля, т. е. его усиление относительно поля возбуждения, происходит под набегающим на якорь краем полюса, а в ДПТ — под сбегающим, как показано на фигуре 3.

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть они при определенном подключении могут использоваться либо как двигатель, либо как генератор тока.

 Генератор в разрезе

Устройство машин постоянного тока

  1. Коллектор – металлический скользящий контакт, через который ротор коммутируется с внешними электрическими цепями;
  2. Щетки (обычно графитовые или медно-графитовые) – ответная часть скользящего контакта, которая постоянно трется о коллектор при вращении ротора;

Коммутация в машинах постоянного тока

  1. Ротор (якорь)- подвижная часть агрегата. При его вращении запускается процесс электромагнитной индукции.
  2. Главные полюса;
  3. Катушка обмотки возбуждения;
  1. Станина – корпус агрегата;
  2. Боковая крышка, которая закрывает крыльчатку охлаждения и является держателем подшипников качения, на которых вращается ротор;
  3. Вентилятор – призван охлаждать машину во время ее работы.

Устройство и принцип действия машин постоянного тока — статор

Основными рабочими частями машин постоянного тока являются ротор, который тут чаще называют якорем, и статор. Данную часть конструкции называют внутренней электрической.

Существует также и внешняя электрическая часть, с помощью которой осуществляется управление двигателем, а также подключаются внешние электрические сети.

Устройство машины постоянного тока – якорь располагается на валу

Остальные элементы относятся к механической части.

  • Станина машины постоянного тока делается из прочного металла – обычно это конструкционная сталь.
  • К внутренней части станины крепятся главные и добавочные полюса статора. Сердечники главных полюсов набираются из стальных пластин. Для добавочных полюсов они идут в основном массивные.
  • Обмотка возбуждения находится на главных полюсах – их МДС формируют рабочий поток. Обмотки добавочных полюсов обеспечивают нормальную коммутацию.

Коммутация тока в машинах постоянного тока

Роторный магнитопровод шихтуется из специальной электромагнитной стали.

Сам якорь имеет следующее строение:

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Принцип преобразования энергии

Среди электрических двигателей, применяемых во всех отраслях промышленности и бытовых электроприборах, наибольшее распространение имеют двигатели переменного тока. Они встречаются практически в каждой сфере жизнедеятельности – от детских игрушек и стиральных машин до автомобилей и мощных производственных станков.

Принцип работы всех электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея и законе Ампера. Первый из них описывает ситуацию, когда на замкнутом проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, генерируется электродвижущая сила. В двигателях это поле создается через обмотки статора, по которым протекает переменный ток. Внутри статора (представляющего собой корпус устройства) находится подвижный элемент двигателя – ротор. На нем и возникает ток.

Вращение ротора объясняется законом Ампера, который утверждает, что на электрические заряды, протекающие по проводнику, находящемуся внутри магнитного поля, действует сила, движущая их в плоскости, перпендикулярной силовым линиям этого поля. Проще говоря, проводник, которым в конструкции двигателя является ротор, начинает вращаться вокруг своей оси, а закрепляется он на валу, к которому подключаются рабочие механизмы оборудования.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Такой тип двигателя обладает превосходными характеристиками, особенно при совершении управления посредством датчиков положения. Если момент сопротивления варьируется или вовсе неизвестен, а также при необходимости достижения более высокого пускового момента используется управление с датчиком. Если же датчик не используется (как правило, в вентиляторах), управление позволяет обойтись без проводной связи.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем без датчика по положению:

  • расположение ротора определяют при помощи дифференциального АЦП (аналого-цифрового преобразователя);
  • токовую перегрузку определяют также при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора;
  • регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
  • рекомендуемыми микроконтроллерами считаются AT90PWM3 и ATmega64;
  • поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем с датчиком по положению на примере датчика Холла:

  • регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
  • выход каждого из датчиков Холла подключают к соответствующей линии ввода-вывода микроконтроллера, настроенной при изменениях состояния на генерацию прерываний;
  • поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI;
  • токовую перегрузку определяют при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора.

Классификация электродвигателей

Вращающийся электродвигатель
Само коммутируемый Внешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный) С электронной коммутацией1 (вентильный2, 3) Асинхронный электродвигатель Синхронный электродвигатель
Переменного тока Постоянного тока Переменного тока4 Переменного тока
  • Универсальный
  • Репульсионный
    • Включение обмотки
  • БДПТ(Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР)
  • ВРД(Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)
  • Трехфазный(многофазный)
  • Двухфазный(конденсаторный)
  • Однофазный
  • СДОВ
  • СДПМ
    • СДПМВ
    • СДПМП
    • Гибридный
  • СРД
  • Гистерезисный
  • Индукторный
  • Гибридный СРД-ПМ
  • Реактивно-гистерезисный
  • Шаговый5
Простая электроника Выпрямители,транзисторы Более сложнаяэлектроника Сложная электроника (ЧП)

Примечание:

  1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
  2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря .
  3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля .
  4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
  5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

Аббревиатура:

  • КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
  • БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
  • ЭП — электрический преобразователь
  • ДПР — датчик положения ротора
  • ВРД — вентильный реактивный двигатель
  • АДКР —
  • АДФР —
  • СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения
  • СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
  • СДПМП —
  • СДПМВ —
  • СРД — синхронный реактивный двигатель
  • ПМ — постоянные магниты
  • ЧП — частотный преобразователь

Принцип действия

Униполярный двигатель приводится в движение силой Лоренца . Проводник с текущим по нему током, помещенный в магнитное поле, перпендикулярное току, испытывает силу в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и току. Эта сила обеспечивает крутящий момент вокруг оси вращения. Поскольку ось вращения параллельна магнитному полю, а противоположные магнитные поля не меняют полярность, для продолжения вращения проводника не требуется коммутации. Эта простота наиболее легко достигается с помощью одновитковых конструкций, что делает униполярные двигатели непригодными для большинства практических применений.

Как и большинство электромеханических машин, униполярный двигатель обратим: если проводник повернуть механически, он будет работать как униполярный генератор , создавая напряжение постоянного тока между двумя выводами проводника. Возникающий постоянный ток является следствием униполярности конструкции. Униполярные генераторы (HPG) широко исследовались в конце 20 века как низковольтные, но очень сильноточные источники питания постоянного тока и достигли определенного успеха в питании экспериментальных рельсотронов .

Особенности двигателей постоянного тока

У двигателей постоянного тока есть одно неоспоримое преимущество перед аналогами, работающими на переменном токе. Эти агрегаты могут плавно и точно регулировать свою скорость вращения, у них высокое быстродействие, а также они обладают большими перегрузочными и пусковыми моментами.

Сегодня их используют:

  • в металлорежущих станках, роботах, манипуляторах, грузоподъемных механизмах, прокатных станках (электроприводы подач и главного движения);
  • в тяговых приводах мощных транспортных средств, таких как: тягачи, троллейбусы, трамваи, электровозы;
  • в мощных снегоочистителях;
  • в качестве исполнительных элементов автоматизированных систем управления и прочее.

Машина постоянного тока – двигатель троллейбуса

Что из себя представляет шаговый мотор

Шаговые двигатели — это электромоторы, в которых импульсная запитка током приведет к перемещению роторных частей на заданные углы. Их можно причислить к классу бесколлекторных электродвигателей с постоянным током. Когда произойдет запуск, то это самый больший момент, хотя скорость минимальная, а сам агрегат покажет прекрасные характеристики, даже если находится в покое. 

Униполярный гибридный шаговый мотор в работе

Управляют им через дискретные импульсы, которые формируются на драйверах моторов. Первые шаговые движки выглядели как электромагниты, которые вращаются при включении храпового колеса. После каждого включения будет перемещение на 1 позицию. На протяжении эксплуатации двигатели будут оптимизироваться как конструктивные и функциональные устройства.

В какой сфере применяют двигатели:

  • устройств памяти ПК;
  • считыватели ленты и перфораторы;
  • оборудование для считывания оптических дисков;
  • периферийные устройства машин для вычисления;
  • станки с программным числовым управлением.

Широкое использование ШД получили давно. Они активно используются в машиностроении, особенно 2-х фазные электродвижки гибридного вида. Еще их используют в приводах различных механизмов и машин, работающих в особом режиме.

По какому принципу работают униполярные моторы

Все зависит от разновидности оборудования и его конструктивных особенностей. Они могут быть разными, но принцип у них один и он неизменен. Когда на первой обмотке будет электричество, то роторы переместятся на указанные выше углы. Когда оно поступит на 2-ю, 3-ю и 4-ю обмотку, то вал будет вращаться дальше, пока не пройдет полный круг. И так по новой. Если нужно изменить очередность вращения, то придется подать обратный импульс. Чтобы пользователям было удобно управлять ШД, а также менять их характеристику, необходимо учитывать особенности его применения.

Плюсы ШД:

  • долгий срок службы;
  • точность;
  • стабильная работа;
  • более недорогая альтернатива;
  • прекрасные характеристики;
  • простой ремонт.

Среди недостатков отмечают чрезмерные вибрации, низкий момент, малую эффективность, тяжелый набор скорости. Не стоит забывать о риске нарушения позиционирования — если изменить этот параметр, то нагрузка может подняться выше. Иногда ротор может проскальзывать. О подобной проблеме знают все и она может проявиться в том случае, если превысится допустимое значение. 

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии .

  • Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
  • промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
  • строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
  • потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.
ЭД1 Функции Области применения
Вращающиеся электродвигатели Насосы Системы водоснабжения и водоотведения
Системы перекачки охлажденной или нагретой воды, системы отопления, ОВК2, системы полива
Системы канализации
Перекачка нефтепродуктов
Вентиляторы Приточно-вытяжная вентиляция, ОВК2, вентиляторы
Компрессоры Системы вентиляции, холодильные и морозильные установки, ОВК2
Накопление и распределение сжатого воздуха, пневматические системы
Системы сжижения газа, системы перекачки природного газа
Вращение, смешивание, движение Прокатный стан, станки: обработка металла, камня, пластика
Прессовое оборудование: обработка алюминия, пластиков
Обработка текстиля: ткачество, стирка, сушка
Смешивание, взбалтывание: еда, краски, пластики
Транспорт Пассажирские лифты, эскалаторы, конвейеры
Грузовые лифты, подъемные краны, подъемники, конвейеры, лебедки
Транспортные средства: поезда, трамваи, троллейбусы, автомобили, электромобили, автобусы, мотоциклы, велосипеды, зубчатая железная дорога, канатная дорога
Угловые перемещения (шаговые двигатели, серводвигатели) Вентили (открыть/закрыть)
Серво (установка положения)
Линейные электродвигатели Открыть/закрыть Вентили
Сортировка Производство
Хватать и перемещать Роботы

Примечание:

  1. ЭД — электродвигатель
  2. ОВК — системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Физический принцип работы электродвигателя переменного тока

Тут логика работы строится немного иначе. Обмотка у нас находится на статоре. А вот ротор представляет собой сердечник со специальной замкнутой рамкой или постоянными магнитами. Так проще обыграть постоянную смену направления тока.

Если двигатель переменного тока однофазный (или, правильнее сказать, может работать в нашей электрической цепи на 220 В) , то в обмотке статора при прохождении тока создается пульсирующее магнитное поле. Это поле раскладывается на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой частотой. Для разложения мы просто делаем замкнутый контур и получаем, что по одной части контура ток идёт в одну сторону, а по другой — в противоположную. Вот вам и момент, который крутанет рамку с током. А точнее — ротор определенной конструкции. Дальше обмотку статора «разносят» на 180 градусов и получают рабочую схему.

Поскольку полярность тока на статоре постоянно меняется, получается что генерируемое магнитное поле тоже меняет направление и регулярно, в соответствии с фазой колебания, «даёт пинок» нашему якорю. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Но есть тут один прикол!

Если двигатель однофазный, то прежде, чем он начнет работать, его ротор нужно крутануть. Или же магнитное поле так и будет пульсировать, а ротор так и будет стоять. Для этого обычно используется дополнительная обмотка или прочие ухищрения. Для создания вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитный поток через пусковую обмотку был сдвинут по фазе относительно рабочей. Но про это как-нибудь в другой раз.

Отметим, что этого недуга лишены трехфазные двигатели переменного тока. Там всё тоже самое, но поскольку у нас есть три разных фазы с разными точками максимальных значений относительно времени, в статоре создается вращающееся магнитное поле.

Оно начинает бегать по кругу, а заодно пинает ротор. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Тут уже не нужно никакое возбуждение, потому что ротор будет регулярно пинаться по кругу, как карусель, раскручиваемый детьми.

Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Рис.1

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5 для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип работы электродвигателя

1. Согласно на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F.

2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F

3. Силы, действующие на рамку, создают или момент силы, вращающий ее.

4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на , чтобы обеспечить больший постоянный .

5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.

  • Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Химия движения
Добавить комментарий

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

Adblock
detector