Устройство и принцип работы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока (ДПТ) до сих пор находят широкое применение, хотя они значительно дороже и менее надёжны, чем асинхронные и синхронные. Преимущество ДПТ - возможность плавного и экономичного регулирования в широком диапазоне частоты вращения вала и создания боль­шого пускового момента при относительно небольшом пусковом токе. Поэтому их широко используют в электротранспорте, для привода прокатных станов, металлорежущих станков и т. д. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Недостаток ДПТ- наличие щёточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность машины.

Основными частями двигателя постоянного тока являются статор и якорь, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм).

Статор  - э то стальной ци­линдр 1, внутри которого крепятся главные по­люса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом маг­нитопровод машины (рис. 6.7, а). На главных полюсах расположены после­до­вательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4, предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Ф _в машины. Концы Ш 1 и Ш 2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клем­мный щиток, расположенный на корпусе машины. Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и кол­лек­тором).

Якорь (подвижная часть машины)- это цилиндр 5, набранный из лис­­­­тов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена якорная обмотка 11 (рис. 6.7). Отводы обмотки якоря припа­ива­ют к пластинам коллектора 6, расположенного на вращающемся в подшипни­ках валу 7. Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала и закреплённых (по тех­но­логии "ласточкина хвоста") на стальной втулке. Коллектор играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря.

К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я 1 и Я 2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающу­юся обмотку якоря(ОЯ)с электрической цепью. Это позволяет снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения и распределить токи в стер­жнях ОЯ таким образом, чтобы их направления под разноименными полюсами были бы противоположными (двигательный режим).

Суммарное сопротивление цепи якоря R _я = 0,5…5 Ом.

Часть машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть яко­рем, а часть машины, создающей основное магнитное поле (магнитный поток) – индуктором. В машинах постоянного тока якорем является ротор, а индуктором – статор.

В зависимости от того, как обмотка возбуждения (ОВ) включена относительно сети и якоря, различают МПТ независимого возбуждения (ОВ к якорю не подключена) и МПТ с самовозбуждением, которое подразделяется на параллельное, последовательное и смешанное. На рис. 6.8 приведе­­ны электрические схемы возбуждения указанных типов МПТ.

При подаче постоянного напряжения U к зажимам ДПТ в обмотках возбуждения ОВ и якоря протекают токи I _я и I _в (рис. 6.9). В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, созданным магнитодвижущей силой (МДС) обмотки возбуждения, возникает электромагнитный момент двигателя, под действием которого якорь приходит во вращение. Средний электромагнитный момент (в Н×м), действующий на якорь ДПТ, по обмотке которого протекает ток I _я,

                                                    (6.7)

где F _с - среднее значение силы в ньютонах (Н), действующей на якорь, которая согласно закону Ампера возникает при взаимодействии тока якоря с магнитным потоком машины; d - диаметр якоря, м.

После преобразования выражения (6.7) получим

                                (6.8)

где р - число пар полюсов машины; а и N - число пар параллельных ветвей и число проводников обмотки якоря; Ф _в - магнитный поток одного полюса статора, Вб; n - частота вращения якоря, об/мин; С _М = pN /(2 p a)- коэффициент момента, зависящий от конструктивных особенностей машины.

Из выражения (6.8) следует, что электромагнитный момент ДПТ пря­мо пропорционален произведению магнитного потока Ф _в на ток якоря I _я.

При вращении якоря проводники якорной обмотки пересекают магнитные силовые линии потока Ф_в, вследствие чего в проводниках индуктируется противоэлектродви­жущая сила  где n - час­тота вращения яко­ря, об/мин; С _Е = pN /(60 a)– конструктивный коэффициент противоЭДС.

Для ДПТ параллельного возбуждения (рис. 6.9, б) ток якоря

        (6.9)

где U - напряжение, подводимое к элек­­тродвигателю, В; R _я - соп­роти­в­ле­ние обмотки якоря, Ом.

В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n =0, поэтому противоэлектродвижущая сила в (6.9) Е _я =0. Чтобы ограничить недопустимо большой пусковой ток I _яп= U / R _я в обмотке якоря, последовательно с якорем включают пусковой реостат R _п.

В этом случае пусковой ток якоря

.                                                      (6.10)

По мере разгона двигателя ЭДС якоря Е _я увеличивается и сопротивление пускового реостата уменьшают до нуля.