Электродвигатели постоянного тока: как они работают, типы и применение

Что за Электродвигатель постоянного тока Есть

Электродвигатель постоянного тока (DC) — это машина, которая преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения. Он действует по принципу, согласно которому на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. При правильном расположении проводников, магнитов и переключающего механизма эту силу можно поддерживать непрерывно в одном направлении вращения, создавая полезный крутящий момент и скорость на выходном валу.

Двигатели постоянного тока были первыми электродвигателями, разработанными для практического промышленного использования. Впервые они были изобретены в 1830-х годах изобретателями, в том числе Уильямом Стердженом и Томасом Дэвенпортом, и стали доминирующим типом двигателей на протяжении 19 и начала 20 веков, прежде чем технология двигателей переменного тока достигла зрелости. Сегодня, Двигатели постоянного тока по-прежнему необходимы в автомобильных системах, портативных электроинструментах, устройствах с батарейным питанием, электромобилях и прецизионном управлении движением. — приложения, в которых основным требованием является контролируемая скорость и крутящий момент от источника постоянного тока.

Как работает двигатель постоянного тока: объяснение коллекторного двигателя постоянного тока

Классический двигатель постоянного тока — коллекторного типа — наиболее наглядно демонстрирует принцип работы. Его ключевыми компонентами являются якорь (ротор), система возбуждения (статор), коллектор и щетки.

арматура представляет собой вращающийся компонент, состоящий из ламинированного железного сердечника, намотанного медными проводниками. Когда постоянный ток протекает через эти проводники в магнитном поле, создаваемом статором, на каждый проводник действует сила Лоренца. Проводники расположены так, что все силы действуют по касательной в одном и том же направлении вращения, создавая чистый крутящий момент, который вращает якорь.

fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The коммутатор решает эту проблему: это сегментированное медное кольцо, установленное на валу якоря, каждый сегмент которого подключен к отдельной обмотке якоря. При вращении якоря сегменты коллектора проходят под неподвижным углеродом. кисти которые поддерживают электрический контакт с внешней цепью. Геометрия коммутатора гарантирует, что ток всегда течет в правильном направлении, независимо от того, находятся ли проводники в оптимальном положении для создания крутящего момента — эффективное изменение направления тока в каждой обмотке точно в нужный момент для поддержания непрерывного однонаправленного вращения.

Типы двигателей постоянного тока и их характеристики

Серия двигателя постоянного тока

В последовательном двигателе обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно — через обе протекает одинаковый ток. Это создает очень высокий пусковой момент, поскольку на низкой скорости через поле протекает большой ток, создавая сильное магнитное поле и, следовательно, большую силу, действующую на проводники якоря. Однако скорость резко возрастает при уменьшении нагрузки, и Серийный двигатель постоянного тока, работающий без нагрузки, может достигать опасно высоких скоростей. (состояние, называемое «побег»). Серийные двигатели используются в приложениях, требующих высокого пускового момента: электрическая тяга (поезда, трамваи), краны, подъемники и стартеры в двигателях внутреннего сгорания.

Шунтирующий двигатель постоянного тока

В шунтовом двигателе обмотка возбуждения подключается параллельно (шунтирую) якорю поперек напряжения питания. Поскольку напряжение поля постоянно, поток поля практически постоянен независимо от тока нагрузки. Это дает шунтовому двигателю его определяющую характеристику: относительно постоянная скорость в широком диапазоне нагрузок . Регулирование скорости — процентное изменение скорости от холостого хода до полной нагрузки — обычно составляет 5–15 % в хорошо спроектированном шунтирующем двигателе. Шунтовые двигатели подходят для станков, токарных, фрезерных станков и вентиляторов, где требуется постоянная скорость при переменной нагрузке.

Составной двигатель постоянного тока

Составной двигатель сочетает в себе как последовательную, так и шунтирующую обмотки возбуждения, сочетая высокий пусковой момент последовательной конфигурации со стабильностью скорости шунта. Кумулятивная компаундация (помощь поля) обеспечивает высокий пусковой момент при разумном регулировании скорости. Дифференциальное соединение (противоположные поля) дает очень ровные характеристики скорости, но используется редко из-за риска нестабильности. Составные двигатели служат для прессов, штампов, лифтов и других нагрузок, требующих как хорошего пускового момента, так и стабильной скорости вращения.

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC)

Двигатели PMDC заменяют намотанное поле постоянными магнитами, устраняя потери в меди обмотки возбуждения и упрощая конструкцию. Они предлагают линейные скоростные характеристики — скорость падает пропорционально увеличению крутящего момента, что делает их очень предсказуемыми и простыми в управлении. Двигатели с постоянными магнитами являются доминирующим типом в устройствах малой и средней мощности: автомобильные вспомогательные приводы (стеклоподъемники, дворники, регуляторы сидений), электроинструменты, принтеры и мелкая бытовая техника. Их основным ограничением является то, что постоянные магниты могут размагничиваться при высоких температурах или при сильных токах перегрузки.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)

brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. Без щеток нет механического износа на интерфейсе коммутации. , что обеспечивает двигателям BLDC значительно более длительный срок службы, более высокий КПД (обычно 85–95%), более низкий электрический шум и способность работать на гораздо более высоких скоростях, чем щеточные эквиваленты. Двигатели BLDC доминируют в электромобилях, дронах, оборудовании HVAC, промышленных сервоприводах и беспроводных электроинструментах.

Коллекторные и бесщеточные двигатели постоянного тока: ключевые различия

Управление скоростью в двигателях постоянного тока

Одной из наиболее ценных характеристик двигателей постоянного тока является то, насколько легко можно контролировать их скорость — свойство, которое сделало их предпочтительным выбором для промышленных приводов с регулируемой скоростью задолго до появления современной технологии инверторов переменного тока. Скорость двигателя постоянного тока определяется уравнением противоЭДС:

Скорость ∝ (напряжение питания − падение напряжения на сопротивлении якоря) ÷ магнитный поток

Это уравнение раскрывает два практических метода управления скоростью. Контроль напряжения якоря — уменьшение напряжения, приложенного к якорю — пропорционально снижает скорость, сохраняя при этом полный поток возбуждения, сохраняя полный крутящий момент на пониженной скорости. Это стандартный метод для скоростей ниже базовой (номинальной) скорости. Ослабление поля — уменьшение тока возбуждения и, следовательно, магнитного потока — увеличивает скорость выше базовой скорости, но мощность крутящего момента уменьшается пропорционально, поскольку магнитное поле становится слабее. Вместе эти два метода дают двигателям постоянного тока широкий диапазон управляемых скоростей: обычно 10:1 или больше в промышленных приводах по сравнению с 2:1 или менее для неуправляемых асинхронных двигателей переменного тока без частотно-регулируемого привода.

В современной практике регулирование скорости реализовано электронно. Контроллеры ШИМ (широтно-импульсной модуляции) изменяют эффективное напряжение на якоре, быстро включая и выключая питание на высокой частоте — соотношение времени включения и времени выключения (рабочий цикл) определяет среднее напряжение и, следовательно, скорость. ШИМ-управление очень эффективно, поскольку переключающие транзисторы рассеивают минимальную энергию по сравнению с методами резистивного снижения напряжения, и оно позволяет точно регулировать скорость с помощью простой обратной связи от тахометра или энкодера на валу двигателя.

Где используются электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока используются в чрезвычайно широком спектре применений: от прецизионных приборов милливаттной мощности до промышленных приводов мегаваттной мощности:

• Автомобильная промышленность: Современный легковой автомобиль содержит между 30 и 80 небольших двигателей постоянного тока водительские окна, зеркала, сиденья, дворники, вентиляторы охлаждения, топливные насосы, приводы ABS и вентиляторы HVAC. Стартер — двигатель постоянного тока с высоким крутящим моментом — проворачивает двигатель при каждом пусковом цикле.
• Электромобили: BLDC и синхронные двигатели с постоянными магнитами (вариант BLDC) приводят в действие тяговый привод аккумуляторных электромобилей. Задний двигатель Tesla Model 3 представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами мощностью более 250 кВт в компактном и легком корпусе.
• Электроинструменты: В аккумуляторных дрелях, шуруповертах, циркулярных пилах и угловых шлифовальных машинах используются либо коллекторные двигатели постоянного тока (экономический диапазон), либо BLDC (профессиональный диапазон), питаемые от литий-ионных аккумуляторов.
• Промышленная автоматизация и робототехника: Сервоприводы в станках с ЧПУ, роботизированных манипуляторах и автоматизированном сборочном оборудовании используют BLDC или бесщеточные двигатели с постоянными магнитами с замкнутым контуром управления положением и скоростью для точного и повторяемого движения.
• Бытовая электроника: Двигатели шпинделей жестких дисков, охлаждающие вентиляторы в компьютерах и проекторах, а также вибрационные двигатели в смартфонах — все это миниатюрные двигатели постоянного тока (часто BLDC), работающие постоянно или с перерывами внутри герметичных устройств.
• Железные дороги и транзит: Тяговые двигатели серии постоянного тока приводили в действие подземные железнодорожные сети более века. Многие метрополитены по всему миру по-прежнему используют тяговую инфраструктуру постоянного тока, хотя современный подвижной состав все чаще использует двигатели переменного тока, питаемые от бортовых инверторов.