Что такое статор электродвигателя

статор электродвигателя

статор электродвигателя

Что такое асинхронный электродвигатель знает практически каждый человек, который хоть немного имеет отношение к технике. А вот как именно он работает и из чего состоит, знает не так много, даже тех, кто работает и использует такие двигателя. В статье будут детально рассмотрены основные составные части и принцип работы. Дадим ответы на вопросы:

  • Что такое статор ЭД и его назначение?
  • Что такое якорь в двигателе?
  • Что такое обмотки возбуждения?

Трехфазный асинхронный электродвигатель был изобретен русским, ученным М. О. Доливо-Добровольский, в 1889 году. Его основное предназначение – преобразование электрической энергии в механическую. благодаря свое эффективной работе и низкой стоимости он является одним из самых выпускаемых двигателей. Еще, соей популярности они обязаны, простоте своей эксплуатации.

Асинхронный электродвигатель применяется во всех отраслях промышленности. Их массово применяют для бытовых приборов. Как правило, используют двигателя, которые работают на переменном токе. Встретить их можно даже в детских игрушках.

Принцип работы основан на двух законах: магнитной индукции и законе Ампера. Первый закон описывает появление электродвижущих сил, под влиянием изменения магнитного поля, создаваемого статором. Второй закон описывает работу ротора, которая заключается в электрических зарядах, поступающих к проводнику, которые находятся внутри магнитного поля и объясняет распределение движущихся сил.

Что такое статор ЭД и его назначение?

Статор – это неподвижная часть двигателя, которая работает в паре с ротором. Статор состоит из основания и сердечника. Основание это цельный корпус, изготовленный из сплавов алюминия или чугуна. Сердечник изготовлен листовой электротехнической стали, толщина которой зависит от характеристик двигателя и оставляет от 0,35 до 0,5 мм. В статоре есть пазы, предназначенные для размещения обмотки. Обмотка – это свитые межу собой повода, соединенные параллельным способом, что позволяет при работе уменьшить возникающие вихревые токи. Трехфазная перемотка статора создает электромагнитное поле. В пазы устанавливают определенное количество катушек, которые соединятся между собой.

В случае поломки электродвигателя выполняется перемотка статора. Варианты перемоток зависят от типа изоляции. Изоляцию выбирают в зависимости от показателя максимального напряжения, температуры перемотки, типа паза и вида обмотки.

Используемый материал для обмотки – медная проволока. Перемотка осуществляется в один или два слоя, в зависимости от расположения катушек в пазах.

Ремонт ЭД начинается с очистки или продувки от грязи и пыли составных частей статора. Следующий шаг – разборка корпуса для замены обмотки. При помощи механических инструментов проводят срезку лицевой части статора, где находится перемотка.

Для того чтобы осуществить разборку статор необходимо нагреть до температуры 200 градусов, после чего снятие обмотки и катушек будет более простым. После того как статор разобран прочищаются пазы. В очищенные и подготовленные пазы устанавливают новую обмотку, используя готовые шаблоны. Установленные новые катушки необходимо покрыть лакоми и высушить при температуре 150 градусов, выдержав два часа.

Сопротивлением между корпусом и обмоткой проверять можно только после того, как была выдержана все технология сушки. Использование различного по диаметру кабеля позволяет проводить регулировку параметров работы ЭД.

Во время эксплуатации электродвигателя возможны ситуации, когда детали начинают перегреваться. Это связано с изменением потребляемого тока. Это происходит из-ща размыкания электрической цепи. Еще одна причина нагрева ЭД – износ подшипников. Это негативно сказывается работоспособности обмотки изоляции. Производители устанавливают на всех типах ЭД защиту от перегрева. Она следит и срабатывает в случаях:

  • превышения пускового времени;
  • перегрузка;
  • скачков напряжения;
  • выхода из строя фазных проводов;
  • заклинивания ротора;
  • сбоя приводных устройств.

Также для защиты статора применяется тепловое реле. Оно срабатывает, когда нагревается биметаллическая пластина, которая под воздействием пружины размыкает электрическую цепь. В исходное положение пластина возвращается при нажатии кнопки.

Реле, может встроенным в ЭД, а может быть приобретено как отдельная единица.

Что такое якорь в двигателе?

Якорем асинхронных электродвигателей за частую может называться ротор. И так, ротор – это подвижная часть ЭД, состоящий из цилиндра, который собран из листов специальной стали, предназначенной для электрических устройств. Эти листы одеты на вал. Роторы или же якоря бывают фазными и короткозамкнутыми. Трехфазная обмотка фазного ротора соединяется схемой «звезда» и имеют на валу контактные кольца. С помощью щеток к кольцам подключают:

  • дросселя, которые удерживают ток ротора и стабилизирую работу ЭД во время перегрузок и резкого изменения оборотов;
  • источник тока (постоянного);
  • реостат для регулировки пускового момента;
  • инверторное питание, которое позволяет управлять частотой вращения вала и регулировать характеристики моментов.

Электродвигатели с фазным ротором устанавливают на машинах, работающих с переменными нагрузками.

Якорь практически не изнашивается при работе. Замене подлежат только щетки. В основном якорь подлежит только чистке от нагара, который появляется при нагреве обмотки статора. При нарушении базирования ротора из-за износа подшипников приводит возможны серьезные поломки, приводящие к остановке ЭД. Во избежание нежелательного простоя оборудования, ожидая замены ЭД, проводят профилактику.

Негативно на работу якоря влияет влага, которая привод к появлению коррозии на металлической поверхности, увеличивая трение, приводящее к возрастанию токовой нагрузки. Это приводит к чрезмерному нагреванию, оплавки контакта и искрению ЭД. По появлению искрения можно сделать вывод, что изжили свой срок службы токосъемники. Если же ЭД оказывается работать, то скорее всего замене подлежат щетки коллектора диэлектрик между пластинами. Возможно, произошло корытное замыкание цепи.

Об неисправности ЭД можно говорить если:

  • двигатель искрится;
  • слышен гул при работе;
  • появляется вибрация;
  • якорь меняет свое направление вращения меньше чем за оборот;
  • корпус сильно нагревается;
  • появляется запах гари.

Видя эти нарушения в работе, рекомендовано отключить ЭД от сети питания и провести первичный осмотр, по результатам которого будет определена неисправность и двигатель отправлен на техническое обслуживание.

Что такое обмотки возбуждения?

Ротор – это постоянный магнит, а статор – это генератор переменного магнитного поя. Поле, которое создает статор неподвижно относительно него. Включив электродвигатель, исходного варианта никакой работы не произойдет, а статор будет находится под воздействием поля или без него. для того, чтобы заставить якорь вращаться необходима обмотка возбуждения. Основная функция обмотки возбуждения – менять полярность ротора, таким образом, задавая ему вращательное движение. При достижении необходимых оборотов обмотка возбуждения отключается.

Статор — понятие и принцип действия

Электрический двигатель – это машина, превращающая электрическую энергию в механическую. Работа любого электрического двигателя или генератора основана на условии взаимодействия магнитных полей статора и ротора.

Коллекторный синхронный двигатель

Cтатор в разных типах электродвигателей

Статор – это неотъемлемый узел электрической машины, сохраняющий неподвижное состояние во время работы двигателя. Ротор – вращающаяся часть электрического мотора, передающая механическую энергию на выходной вал. Другое название ротора – якорь.

Синхронный или коллекторный двигатель

Электрический ток на ламели коллектора передается графитовыми щетками. Такой электродвигатель будет работать, как в сети постоянного, так и переменного тока. Пульсирующее магнитное поле, создаваемое обмотками статора, будет взаимодействовать с пульсирующим магнитным полем, генерируемым обмотками якоря. Ротор станет вращаться. Подобные электродвигатели широко применяются в различных бытовых и промышленных приборах: электродрелях, пылесосах, силовых приводах станков, электротранспорте.

Интересно. Двигатели такого типа имеют еще одно название – синхронные. Это означает, что скорость вращения ротора равна скорости вращения электромагнитного поля, возникающего в двигателе.

Асинхронные двигатели

Подавляющее количество электромоторов, применяющихся и в промышленности, и в быту, – это асинхронные электродвигатели с короткозамкнутыми роторами. Такие двигатели применяются в трехфазных и однофазных сетях переменного тока.

 Асинхронный двигатель

Статорная конструкция собирается из большого количества стальных пластин и расположена в корпусе основания, отлитом из немагнитных металлов: чугуна или алюминия.

Наборный статор двигателя

Материал пластин – электротехническая сталь. Пластины изолированы друг от друга специальным диэлектрическим лаком. В статоре имеются продольные пазы, где размещаются три обмотки, сдвинутые относительно оси вращения электромотора на 120 градусов друг от друга. Ротор также набирается из изолированных пластин электротехнической стали. В пазы ротора уложены стержни из алюминия, реже меди, соединенные по торцам контактными кольцами. Отсюда и название – короткозамкнутый ротор. Такая конструкция, называемая «беличьим колесом», играет роль обмотки ротора.

Ниже представлен вид асинхронного электродвигателя в разрезе. Хорошо видно, что такое наборный статор.

Разрез асинхронного двигателя

Обмотки двигателя могут подключаться к трехфазной электрической сети по схеме «треугольник» или «звезда».

 Варианты подключения трехфазного двигателя

Коммутация схемы производится в клеммной коробке двигателя, называемой борн или брно.

При подаче трехфазного напряжения в обмотках статора возникают пульсирующие токи, которые вызывают появление в статоре вращающегося магнитного поля. Это поле пересекает токопроводящие стержни ротора, в которых индуцируются вторичные пульсирующие токи. Результатом становится появление магнитного поля в роторе. Магнитные поля статора и ротора взаимодействуют и заставляют вращаться стержни «беличьего колеса», вместе с тем и сам ротор. Якорь вращается со скоростью несколько меньшей, чем магнитное поле статора.

Величина этой разности называется скольжением и может составлять от 2 до 8 %. Из-за наличия скольжения двигатели подобной конструкции получили название асинхронные. Эффект скольжения физически необходим для работы асинхронного двигателя не будет отставания вращения ротора от магнитного поля статора, не будет индуцироваться ток в стержнях ротора, исчезнет магнитное поле в якоре, приводящее во вращение ротор.

Материал для статоров

Статорные и роторные узлы набираются из изолированных пластин электротехнической стали толщиной от 0,2 до 0,5 мм. В такой стали присутствует повышенное количество кремния (3-4,5 %). В результате сплав получает повышенное электрическое сопротивление и улучшенные магнитные характеристики. Малая толщина пластин и высокое удельное сопротивление существенно снижают паразитные вихревые токи Фуко в статоре и роторе. Это позволяет уменьшить нагрев узлов и деталей электродвигателя, повысить его электрический КПД.

Читайте также  Обозначение букв на колесах

Технология перемотки статора

Индикаторами нештатной работы электромотора являются:

  • Снижение мощности;
  • Повышенный нагрев корпуса;
  • «Пробивание» напряжения на массу.

В таком случае следует провести диагностику неисправности статора. Необходимо определить, как проверить статор на межвитковое замыкание мультиметром. Величина сопротивления обмоток указана в справочной литературе на конкретный двигатель. Проверив мультиметром сопротивление каждой из обмоток, можно определить дефектную. После чего необходимо перемотать одну или все обмотки статора.

Основные операции:

  • Удаление из пазов статора старых обмоток;
  • Очищение пазов от остатков старой электро,- и термоизоляции;
  • Установка новой изоляции в пазах статора;
  • Укладка новых обмоток;
  • Пропитка обмоток диэлектрическим лаком и его сушка;
  • Проверка электрических параметров новых обмоток статора.

При правильно проведенном ремонте электромотор восстановит свои первоначальные характеристики.

Проверка якоря коллекторного двигателя

У якоря коллекторного электродвигателя надо проверять два основных типа неисправностей:

  1. Механические;
  2. Электрические.

На заметку. К механическим неисправностям, как правило, относится выработка ресурса подшипников. Появляются сильный шум при работе двигателя, нагрев подшипников, продольный и радиальный люфт якоря.

Электрические неисправности включают в себя:

  • Обрыв провода в обмотке;
  • Межвитковое замыкание;
  • Пробой обмотки на корпус якоря и самого мотора;
  • Износ контактных ламелей коллектора.

Следует рассмотреть, как проверить якорь на межвитковое замыкание. Сделать это удобно с помощью цифрового мультиметра либо, при его отсутствии, стрелочным тестером.

Электронный мультиметр

Как прозвонить якорь? Следует поочередно измерять сопротивление обмоток якоря, касаясь щупами мультиметра противоположных ламелей коллектора. Значительное отклонение величины сопротивления позволит узнать неисправную обмотку. Пробой на корпус проверяется мультиметром в диапазоне сопротивления 20 кОм. Один щуп присоединяется к валу ротора, другим поочередно касаются ламелей коллектора. Прибор должен показывать состояние «разрыв». По показанию мультиметра менее 20 кОм можно узнавать о неисправности обмотки, и, следовательно, необходимости ремонта якоря.

Ремонт электродвигателей

Проведение ремонта электродвигателей, такого, как перемотка статора или ротора, операция ответственная и кропотливая. Необходимы определенные знания и навыки работы, опыт. Проще всего производится устранение механических неисправностей, обычно это замена подшипников и восстановление геометрии коллектора либо его полная замена. Также бывает необходимо поменять стесанные графитовые щетки, подающие ток на обмотки якоря.

При ремонте электрической части двигателя потребуются специальные материалы, обмоточный провод нужной марки, специальные инструменты и оснастка. Если речь идет о ремонте ограниченного количества электродвигателей, то лучше обратиться в специализированное ремонтное предприятие. Это целесообразно, как с точки зрения качества ремонта, так и экономики.

Для проведения ремонтных работ в больших количествах необходимо создать профильный участок ремонта, подобрать персонал, содержать определенное количество оборудования, материалов и комплектующих, иметь справочную литературу.

Теплоизоляция статора

Электродвигатель при работе подвержен достаточно сильному нагреву до 100-145 0С. Для сохранения работоспособности, защиты деталей и узлов от перегрева на валу двигателя имеется крыльчатка вентилятора, производящая обдув ротора и статора. Кроме того, для защиты обмоток статора применяются различные термоизолирующие материалы, такие как:

  • Прокладки на базе компонентов из слюды и специальных картонов;
  • Термоизолирующие материалы из стеклоткани;
  • Термостойкие пропиточные лаки.

Правильное технологическое применение таких теплоизоляционных компонентов обеспечивает долгую надежную и бесперебойную работу электродвигателей.

Защита статора тепловым реле

В процессе эксплуатации электродвигатель может потреблять повышенный ток из сети и испытывать сильный нагрев. Причины могут быть разные, например, слишком большая нагрузка на валу, частые включения и выключения мотора, повышенная температура окружающей среды. Такие нештатные режимы работы могут привести к перегреву статорных обмоток и выходу их из строя. Для предотвращения повреждения электродвигателя в статорной системе устанавливается один или два биметаллических тепловых реле это термовыключатели, называемые кликсонами.

Термовыключатель кликсон

При повышении температуры статора выше положенного значения происходит размыкание биметаллического контакта кликсона. Термовыключатель размыкает цепь питания катушки управления силовым контактором, который подает напряжение на электромотор. Контактор отключает электромотор от силовой электросети. Дальнейшее включение контактора и, следовательно, электродвигателя возможно лишь после охлаждения обмоток статора и замыкания биметаллической пары термовыключателя.

Двигатели, применяемые в промышленности

В промышленности успешно применяются оба типа двигателей: и асинхронные с короткозамкнутым ротором, и синхронные коллекторные.

Первый тип устройств имеет важные достоинства:

  • Низкая цена;
  • Надежность и долговечность;
  • Простота эксплуатации.

Имеются и минусы:

  • Невозможность плавного регулирования оборотов якоря;
  • Невысокая скорость вращения – предел 3000 об./мин. в сетях с частотой 50Гц;
  • Большие пусковые токи.

Однако достоинства этих изделий многократно превосходят их недостатки.

К сведению. Асинхронные двигатели применяются в тех устройствах, где требуются постоянные режимы работы промышленного или транспортного оборудования. Например, в приводах всевозможных насосов, ленточных транспортеров, в системах вентиляции, в подъемных механизмах. Ниша асинхронных электрических машин занимает 65-75 % от общего объема применяемых электромоторов.

Синхронные, коллекторные двигатели имеют свои достоинства:

  • Возможность плавного бесступенчатого изменения скорости вращения;
  • Большая мощность;
  • Большая скорость вращения.

Недостатки, присущие коллекторным электромоторам:

  • Относительно высокая стоимость;
  • Скользящие контакты коллектора якоря, снижающие надежность эксплуатации и уменьшающие ресурс машины;
  • Необходимость частого обслуживания.

Они применяются там, где необходимо плавное изменение угловых скоростей: это приводы станков, тяговые моторы электротранспорта, точные системы монтажа.

Оба типа двигателей находят массовое применение в промышленности и быту. Для их длительной и безотказной работы необходимо проведение регламентных работ, при необходимости и восстановительного ремонта, включающего перемотку обмоток статора и ротора.

Видео

Что такое ротор и статор в двигателе: описание, принцип работы в асинхронных электродвигателях, их функции

Очень многие приборы и устройства, окружающие нас в быту, имеют в своей конструкции двигатель.

Мощные электрические моторы приводят в движение транспортные средства на улицах городов и на железных дорогах, используются в поднятии и перемещении тяжелых грузов.

Из школьных программ мы помним, что электромоторы это устройства для преобразования энергии из одного вида в другой. Чтобы понять, как этот процесс происходит, нужно разобрать электромотор и посмотреть, как он устроен внутри.

В наших статьях мы детально рассказываем о предназначении ротора и статора, о том, как они работают.

stroenie-dvigatelya ротор и статор в двигателе

Итак, давайте детально разберемся с двумя основными его частями:

Ротор(другое название этой детали – якорь) это подвижная, точнее сказать, вращающаяся деталь электромотора.

Конструкция ротора зависит от типа устройства, в котором он используется. Если это коллекторный агрегат, то ротор производится из следующих частей:

  • Сердечник. Эта деталь состоит из пакета металлических пластин. Они переслаиваются диэлектриком или обычной оксидной пленкой. В результате получается «слоеный пирог», основная функция которого – тормозить разгон электронов и предотвращать разогрев ротора. Дело в том, что для приведения мотора во вращение производится перемагничивание сердечника. В результате возникают вихревые токи, или так называемые «токи Фуко», нагревающие ротор и снижающие эффективность работы мотора;

  • Обмотки. Сердечник обматывают витками медной проволоки. Каждый проводок покрыт слоем прочного лака. Дополнительно обмотку пропитывают эпоксидными смолами и фиксируют особым лаком. Такая защита предотвращает возможность повреждения обмоток и препятствует возникновению пробоя и образования короткозамкнутых витков, что может нарушить работу двигателя;
  • Вал. Это металлический стержень. Своими торцевыми частями он устанавливается в подшипниках качения. Кроме того, на валу может быть резьба, а также имеются профильные углубления для шпонок фиксации шестерен и крепления шкивов, которые приводятся во вращение электромотором;

stroenie-dvigatelya статор в двигателе

  • Крыльчатка. Эта деталь устанавливается на валу ротора и служит для охлаждения электромотора во время работы. Благодаря такому приспособлению мотор сам себя охлаждает и нет нужды в использовании других устройств для охлаждения;
  • Коллектор. Это деталь цилиндрической формы, наружная стенка которой составлена из медных контактов, так называемых ламелей. Коллектор установлен на валу, снаружи его окружают графитовые щетки. Между ламелями коллектора и щетками устанавливается скользящий контакт.

Отдельно отметим, что,по сути,обмотки ротора являются электромагнитом и не все типы ротора устроены именно таким способом.

Статор в двигателе

двигатель статор

Цилиндр статора интегрирован в корпус электромотора. Он является его неподвижной частью. Вместе статор и корпус составляют единый моноблок.

Сердечник статора набран из металлических пластин. Они изолированы одна от другой слоем лака. Назначение такого устройства сердечника – противодействие нагреву вихревыми токами Фуко.

В собранном виде пакет статора впрессовывают в корпус. Сердечник статора формируется витками обмотки.

Их пропивают субстанциями особого состава, защищающего витки от повреждений, и укладывают в специально выточенные во внутренней стенке цилиндра пазы.

Схема подключения статора к электрической сети выглядит следующим образом:

Схема подключения статора к электрической сети двигатель

На корпусе двигателя имеется так называемый БРНО, блок расключения начал обмоток. Иначе говоря, это распределительная коробка, внутри которой находятся клеммники.

Конструктивно, они различаются между собой. Устройство клеммников зависит от мощности двигателя и вида работы, которую этот двигатель выполняет. Концевые части всех обмоток подключаются к клеммам БРНО.

От мощности электромотора и его функционального предназначения зависит также и способ подключения обмоток.

Есть два способа подключения. Один это так называемая«Звезда», другой — «Треугольник». От способа подключения зависит то, как будет работать электромотор.

При способе соединении «Звезда»мотор плавно увеличивает обороты, причем быстрый разгон оборотов до максимума невозможен.

Читайте также  Показания лямбда зонда после катализатора

А если обмотки соединены треугольником, мотор может сразу развить те обороты, на который он конструктивно рассчитан, но и стартовые токи будут адекватно велики.

Устройство асинхронного двигателя

двигатели, статор

Особенность работы асинхронного мотора заключается в следующем:на обмотки статора питание подается пошагово. В статоре возникает вращающееся поле. Это магнитное поле вызывает ток индукции в роторной обмотке.

Ротор приходит во вращение и стремится уровнять частоту своего вращения с частотой вращения магнитного поля.

Как только такое происходит, исчезает ток индукции в роторных обмотках и ротор начинает терять обороты. И тут же начинает ускоряться вновь под влиянием опережающей частоты оборотов поля.

Таким образом двигатель стабилизирует свою работу, Именно в этой особенности состоит достоинство асинхронного мотора, которое выделяет его среди других типов электромоторов.

коллектор двигателя статор

Асинхронные двигатели имеют и некоторые конструктивные особенности. Так, на этих двигателях устанавливают роторы разных конструкций:

  • Короткозамкнутый ротор.Сердечник такого ротора набран из металлических пластин, как и обычный тип, но на нем нет медной обмотки.На пакете сердечника установлены металлические стержни. Они установлены не параллельно пластинам сердечника, но под некоторым углом. Они так же не касаются один другого, но замкнуты на короткоторцевыми дисками.

  • Фазный ротор отличается от короткозамкнутого тем, что у него нет короткозамкнутых стержней, а использованы трехфазные обмотки. Кроме того на роторе такого типа применен не обычный коллектор с ламелями, а особая конструкция, состоящая из трех колец.

В конструктивном смысле такие роторы являются более сложными изделиями и процесс их производства более трудоемок.

Но они не вызывают высокие пусковые токи и их работу можно плавно регулировать.

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

  1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
  2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
  3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
  4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • соединение параллельно обмоткам якоря;
  • варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
  • смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Схемы подключения обмоток статора

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Ротор с тремя обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Схема электромотора с многообмоточным якорем

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Принцип работы ДПТ

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Читайте также  Помеха с правой стороны

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

  • бытовые и промышленные электроинструменты;
  • автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
  • трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

  • Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
  • Легко регулируемая частота вращения;
  • хорошие пусковые характеристики;
  • компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

  • ограниченный ресурс коллектора и щёток;
  • дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
  • ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
  • дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Электродвигатели

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Стандартная конструкция вращающегося электродвигателя

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы двигателя

Принцип работы электродвигателя

Принцип действия электродвигателя

Принцип работы двигателя

    Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:

Классификация электродвигателей

      Включение обмотки
    • БДПТ
      (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР)
    • ВРД
      (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)

      (многофазный)

      (с контактными кольцами и щетками) —> 5 —>
      • СДПМВ
      • СДПМП
      • Гибридный
      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 [5].
      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 [1].
      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.
      • КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
      • БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
      • ЭП — электрический преобразователь
      • ДПР — датчик положения ротора
      • ВРД — вентильный реактивный двигатель
      • АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
      • АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
      • СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения
      • СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
      • СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
      • СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
      • СРД — синхронный реактивный двигатель
      • ПМ — постоянные магниты
      • ЧП — частотный преобразователь

      Типы электродвигателей

      Коллекторные электродвигатели

      Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

      Универсальный электродвигатель

      Универсальный электродвигатель

      Коллекторный электродвигатель постоянного тока

      Коллекторный электродвигатель постоянного тока

      Бесколлекторные электродвигатели

      У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

      Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

      Асинхронный электродвигатель

      Cинхронный электродвигатель

      Специальные электродвигатели

      Серводвигатель

      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

      ,

      • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
      • nном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

      Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

      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.

      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 [2].

      ,

      • 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

      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 (механическая), 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.

      IEC 60034-31

      Частота вращения

      • 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∙м 2 ,
      • m — масса, кг

      1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

      Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

      ,

      • где – угловое ускорение, с -2 [2]

      ,

      Номинальное напряжение

      Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

      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

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

      Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

      Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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