Устройство электродвигателя постоянного тока советы электрика

Конструкция электродвигателя постоянного тока

Как известно, электродвигатель постоянного тока – это устройство, которое с помощью двух своих основных деталей конструкции может преобразовывать электрическую энергию в механическую. К таким основным деталям относятся:

  1. статор – неподвижная/статическая часть двигателя, которая вмещает в себе обмотки возбуждения на которые поступает питание;
  2. ротор – вращающаяся часть двигателя, которая отвечает за механические вращения.

Кроме вышеупомянутых основных деталей конструкции электродвигателя постоянного тока, существуют также и вспомогательные детали, такие как:

  1. хомут;
  2. полюса;
  3. обмотка возбуждения;
  4. обмотка якоря;
  5. коллектор;
  6. щётки.

Конструкция электродвигателя постоянного тока

В совокупности все эти детали составляют цельную конструкцию электродвигателя постоянного тока. А теперь давайте более подробно рассмотрим основные детали электродвигателя.

Ярмо ДПТ

Ярмо электродвигателя постоянного тока, которое изготавливают в основном из чугуна или стали, является неотъемлемой частью статора или статической частью электродвигателя. Его основная функция состоит в формировании специального защитного покрытия для более утончённых внутренних деталей двигателя, а также обеспечение поддержки для обмотки якоря. Кроме того, ярмо служит защитным покрытием для магнитных полюсов и обмотки возбуждения ДПТ, обеспечивая тем самым поддержку для всей системы возбуждения.

Полюса

Магнитные полюса электродвигателя постоянного тока – это корпусные детали, которые крепятся болтами к внутренней стенке статора. Конструкция магнитных полюсов содержит в своей основе только две детали, а именно – сердечник полюса и полюсный наконечник, которые состыкованы друг к другу под влиянием гидравлического давления и прикреплённые к статору.

Видео: Конструкция и сборка электродвигателя постоянного тока

Несмотря на это, эти две части предназначены для разных целей. Полюсный сердечник, например, имеет маленькую площадь поперечного сечения и используется, чтобы удерживать полюсный наконечник на ярмо, тогда как полюсный наконечник, имея относительно большую площадь поперечного сечения, используется для распространения магнитного потока созданного над воздушным зазором между статором и ротором, чтобы уменьшить потерю магнитного сопротивления. Кроме того, полюсный наконечник имеет множество канавок для обмоток возбуждения, которые и создают магнитный поток возбуждения.

Обмотка возбуждения

Обмотки возбуждения электродвигателя постоянного тока выполнены вместе с катушками возбуждения (медный провод) навитыми на канавки полюсных наконечников таким образом, что когда ток возбуждения проходит сквозь обмотку, у смежных полюсов возникает противоположная полярность. По существу, обмотки возбуждения выступают в роли некоего электромагнита, способного создать поток возбуждения, внутри которого вращался бы ротор электродвигателя, а потом легко и эффективно его остановить.

Обмотка якоря

Обмотка якоря электродвигателя постоянного тока прикреплена к ротору или вращающейся части механизма, и, как результат, попадает под действие изменяющегося магнитного поля на пути его вращения, что напрямую приводит к потерям на намагничивание.

По этой причине ротор делают из нескольких низко-гистерезисных пластин электротехнической стали, чтобы снизить магнитные потери, типа потери на гистерезис и потери на вихревые токи соответственно. Ламинированные стальные пластины состыковывают друг к другу, чтобы тело якоря получило цилиндрическую структуру.

Тело якоря состоит из канавок (пазов), сделанных из того же материала, что и сердечник, к которому закреплены обмотки якоря и несколько равномерно распределённых по периферии якоря витков медного провода. Пазы канавок имеют пористые клинообразные спаи, чтобы в последствие источаемой во время вращения ротора большой центробежной силы, а также при наличии тока питания и магнитного возбуждения, предотвратить загибания проводника.

Существует два типа конструкции обмотки якоря электродвигателя постоянного тока:

  • петлевая обмотка (у данном случае количество параллельных путей тока между переходниками (А) равно количеству полюсов (Р), то есть А = Р.
  • волновая обмотка (у данном случае количество параллельных путей тока между переходниками (А) всегда равно 2, независимо от количества полюсов, то есть конструкции машины выполнены соответствующим образом).

Коллектор

Коллектор электродвигателя постоянного тока – это цилиндрическая структура из состыкованных между собой, но изолированных слюдой, медных сегментов. Если речь идет об ДПТ, то коллектор здесь используется в основном как средство коммутирования или передачи через щётки электродвигателя тока питания от сети на смонтированные во вращающейся структуре обмотки якоря.

Щётки

Щётки электродвигателя постоянного тока изготавливают из углеродных или графитных структур, создавая над вращающимся коллектором скользящий контакт или ползунок. Щётки используют для передачи электрического тока от внешнего контура на вращающуюся форму коллектора, где дальше он поступает на обмотки якоря. Коллектор и щётки электродвигателя используют, в общем, для передачи электрической энергии от статического электрического контура на область с механическим вращением, или просто ротор.

Устройство электродвигателя постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока – электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижной части – станины и вращающейся части – якоря.

Станина – полый стальной цилиндр, на внутренней поверхности которого укреплено четное число выступающих главных полюсов электродвигателя постоянного тока . Эти полюсы собраны из тонких изолированных друг от друга лаком листов электротехнической стали и заканчиваются расширенной частью – полюсными наконечниками для распределения магнитной индукции в воздушном зазоре по закону, близкому к трапецеидальному.

Линии, проходящие через середины полюсов и центр вала электродвигателя постоянного тока, называют ее продольными магнитными осями .

На полюсах расположены одна или несколько обмоток возбуждения постоянного тока , которые соединены между собой так, чтобы получить чередующуюся полярность полюсов, возбуждающих основное неподвижное магнитное поле машины.

Обмотки возбуждения с большим числом витков тонкого провода и значительным сопротивлением имеют выводы к зажимам с обозначениями Ш1 и Ш2, а обмотки возбуждения с малым числом витков толстого провода и малым сопротивлением — выводы к зажимам с обозначениями С1 и С2.

Между главными полюсами электродвигателя постоянного тока расположены добавочные полюсы , которые меньше главных и изготовлены массивными из стали. Обычно число добавочных полюсов равно числу главных и только в электродвигателях номинальной мощностью до 2 – 2,5 кВт число их уменьшено вдвое. На этих полюсах размещена обмотка добавочных полюсов с небольшим числом витков толстого провода, малого сопротивления с выводами к зажимам с обозначениями Д1 и Д2.

В электродвигателях постоянного тока, предназначенных для тяжелого режима работы, полюсные наконечники имеют пазы, параллельные оси вала, где находится компенсационная обмотка с небольшим числом витков толстого провода и малым сопротивлением с выводами к зажимам с обозначениями К1 и К2.

Учебная модель электродвигателя постоянного тока

Обмотки возбуждения, обмотка добавочных полюсов и компенсационная обмотка выполнены изолированным медным проводом. При проводах значительного сечения обмотку добавочных полюсов выполняют неизолированной медной шиной, навитой спиралью на узкое ребро, с прокладкой изоляции как между витками, так и между ними и самим полюсом.

Мощность на возбуждение магнитного поля электродвигателя постоянного тока в зависимости от ее размеров составляет от 0,5 до 5 % ее номинальной мощности.

Между поверхностями полюсных наконечников и магнитопроводом якоря имеется воздушный зазор, радиальный размер которого в зависимости от номинальной мощности электродвигателя и его быстроходности изменяется обычно от нескольких долей миллиметра до десяти миллиметров.

Устройство электродвигателя постоянного тока: 1 – станина, 2 – главный полюс, 3 – обмотка возбуждения, 4 – полюсный наконечник, 5 – добавочный полюс, 6 – обмотка добавочного полюса, 7 – проводники компенсационной обмотки, 8 – воздушный зазор, 9 – магнитопровод якоря, 10 – проводники обмотки якоря, 11 – щетка, 12 – вал, 13 — коллектор, 14 — лапа.

Якорь барабанного типа — зубчатый цилиндр, укрепленный на валу электродвигателя постоянного тока, собранный из пакетов, составленных из тонких изолированных друг от друга лаком листов электротехнической стали с пазами на наружной поверхности. Между пакетами находятся радиальные вентиляционные каналы, а пазы якоря заполнены изолированными медными проводниками, которые по торцам соединены между собой в секции, входящие в обмотку якоря.

Секция — основной элемент обмотки якоря из одного или нескольких последовательно соединенных витков, начало и конец которых припаяны к двум коллекторным пластинам, в результате чего конец одной секции и начало следующей присоединены к одной и той же коллекторной пластине.

Одно и двухвитковые обмотки якоря электродвигателей постоянного тока: а – петлевой, б – волновой

Соединение секций обмоток якоря электродвигателей постоянного тока: а – петлевой, б – волновой

Коллектор — полый цилиндр из мелких пластин твердотянутой меди трапецеидального сечения, изолированных миканитовыми прокладками и манжетами друг от друга и от вала.

Из технологических соображений обмотку якоря выполняют двухслойной, располагая в каждом пазу его магнитопровода по две стороны различных секций: в верхнем слое одного паза – одну сторону секции, показанную сплошной линией, а в нижнем слое другого паза, находящегося под противоположным главным полюсом, – другую сторону этой же секции, изображенную пунктирной линией. Пазы, где находятся обе стороны одной и той же секции, смещены относительно друг друга на величину, близкую или равную полюсному делению ? – расстоянию по окружности якоря между осями соседних главных полюсов.

Независимо от типа обмотки якоря – петлевой или волновой – она образует замкнутую цепь, разделенную группами неподвижных графитных, угольно-графитных, медно-графитных или бронзово-графитных щеток, прижимаемых пружинами к коллектору, на четное число одинаковых параллельных ветвей по отношению к зажимам обмотки якоря с обозначениями Я1 и Я2. При петлевой, или параллельной, обмотке число параллельных ветвей равно числу главных полюсов электродвигателя, а при волновой, или последовательной, обмотке оно всегда равно двум.

Группы щеток, укрепленных в щеткодержателях, устанавливают равномерно по окружности коллектора перед серединой главных полюсов с тем, чтобы они присоединялись к тем секциям обмотки якоря, которые в данный момент находятся на геометрических нейтралях якоря — неподвижных линиях, проходящих через центр вала машины по осям добавочных полюсов. Геометрические нейтрали расположены по нормалям к магнитным линиям основного поля машины, а число их равно числу пар главных полюсов.

При расположении щеток на коллекторных пластинах, отвечающих секциям обмотки якоря, находящимся на геометрических нейтралях, и холостом ходе электродвигателя, э. д. с, индуктируемые в движущихся проводниках в пределах каждой параллельной ветви обмотки якоря, направлены согласно, а э. д. с. между щетками различной полярности достигает наибольшего значения. При сдвиге щеток по окружности коллектора в любом направлении эта э. д. с. уменьшается, поскольку в параллельно соединенных ветвях обмотки якоря появляются проводники со встречно направленными э. д. с.

Щеткодержатели укреплены на пальцах поворотной щеточной траверсы, от которой они электрически изолированы. С помощью траверсы возможно смещать щетки в небольших пределах по окружности коллектора относительно полюсов при настройке работы щеточного аппарата. Совокупность коллектора и щеток создает скользящий контакт с вращающейся обмоткой якоря.

Число групп щеток с чередующейся полярностью обычно равно числу главных полюсов электродвигателя постоянного тока. Для образования выводов обмотки якоря Я1 и Я2 щетки одинаковых полярностей, находящихся перед серединой соответствующих одноименных главных полюсов, соединяют между собой и от них выводят проводники большого сечения или шины к зажимам с обозначениями Я1 и Я2, которые используют для присоединения к другим обмоткам машины или ко внешней цепи.

На валу электродвигателя постоянного тока со стороны, противоположной коллектору, укреплен вентилятор центробежного типа, который обеспечивает лучшее охлаждение машины. Вал лежит в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах электродвигателя.

Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:

  1. Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
  2. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.

По принципу работы:

  1. Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
  2. Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

  1. Износ щетокили их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
  2. Загрязнение коллектора.Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
  3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.

Принципиальное устройство электродвигателя

Электродвигатель — это прибор для преобразования электроэнергии в механическую. Устройство электродвигателя несложное, а принцип его работы основывается на обнаруженном Фарадеем в 1921 году эффекте электромагнетизма, успешно применяемом и в настоящее время. Его принцип гласит: взаимодействие электротока в проводнике с постоянным магнитным полем приводит к непрерывному вращению проводника.

Основные разновидности электродвигателей

Основными компонентами электродвигателя, обеспечивающими его вращение, являются магниты и электромагниты. В роли последних выступают катушки из намотанного проводника.

Все виды электродвигателей можно разделить на 3 основных группы:

  • двигатели класса AC. Они работают за счёт напряжения переменного тока, и для подключения могут требовать как одну, так и три фазы;
  • электродвигатели DC. Их работа осуществляется за счёт напряжения постоянного тока;
  • универсальные электродвигатели. Они работают вне зависимости от типа подаваемого на них напряжения. Единственное условие — обеспечение номинальной мощности и вольтажа подаваемой электроэнергии.

Несмотря на одинаковое использование моторами принципов преобразования энергии, они могут существенно различаться между собой. Причём как конструктивно, так и по способу контроля скорости, регулированию момента вращения.

Использование электродвигателей чрезвычайно широко как в быту, так и на производстве. Дома можно обнаружить немалое число бытовой техники, в которой они служат основными узлами: вентиляторы, кондиционеры, стиральные машины, соковыжималки. Не являются исключением и компьютеры. Электродвигатели также применяются для работы секционных ворот и шлагбаумов, в качестве основного силового агрегата в тепловозах и электровозах. В последнее время стало широко популярно их применение в автомобилестроении — в качестве оснащения гибридных авто и электромобилей.

По принципу работы электромоторы разделяются на 2 группы:

  1. Синхронные. Их конструкция предусматривает наличие обмотки на роторе. Для подачи на неё напряжения используются щётки из токопроводящего материала. Скорость вращения моторов равна скорости движения магнитного поля.
  2. Асинхронные. Они характеризуются отсутствием обмоток ротора и щёток, что существенно упрощает их конструкцию и делает её надёжнее. В асинхронных электромоторах обороты ротора меньше скорости вращения магнитного поля.

Постараемся разобрать подробнее устройство электродвигателей обоих типов.

Как устроен синхронный электромотор

Двигатели этого типа получили широкое распространение в быту. Во многом благодаря возможности регулировки и поддержания заданной скорости вращения. Кроме этого, в отличие от асинхронных электромоторов, синхронные двигатели могут раскручиваться свыше 3000 оборотов в минуту. Они применяются в электроинструменте, бытовой технике, климатических системах и пр.

Их конструкция следующая: в корпусе установлены обмотки, и они же присутствуют на роторе или якоре. Выводы обмоток ведут к коллектору или площадкам токопроводящего кольца. Подачи напряжения на них осуществляется щетками (обычно на основе графита). Схема установки щёток такова, что они воздействуют только на пару обмоток, и воздействие при вращении мотора чередуются.

Распространёнными неисправностями синхронных двигателей являются:

  1. Износ, разрушение щёток или снижение качества контакта.
  2. Попадание грязи на коллектор.
  3. Выход из строя подшипников.
  4. Обрыв или перегорание обмотки.

Для создания вращающего момента используется взаимодействие токов якоря и создаваемого обмоткой магнитного поля. Для регулировки оборотов нужно изменять величину подаваемого на обмотки электромотора напряжения, что осуществляется при помощи реостатов.

Устройство асинхронного двигателя

Преимуществом моторов асинхронного типа является возрастание мощности пропорционально нагрузке. К примеру, при холостом ходе мотора он работает на максимальных оборотах, но при этом потребляет минимум энергии. При увеличении нагрузки, приводящей к снижению оборотов, крутящий момент увеличивается, и тем самым электромотор выходит на номинальную мощность.

Однако устройство электродвигателя этого типа имеет и определённые недостатки:

  1. При работе в трехфазных сетях переменного тока скорость вращения не может превышать 3000 оборотов.
  2. При подаче нагрузки, превышающей мощность мотора, произойдёт его стопорение, в результате чего обмотки или сам ротор выйдут из строя.
  3. При выборе электродвигателя необходимо учитывать его производительность. Установка мотора меньшей мощности приведёт к выходу его из строя, большей — к неоправданно высоким энергозатратам.

Асинхронный двигатель представляет собой корпус, в котором уложены обмотки статора. При использовании трехфазной сети количество обмоток будет равно 3. При подаче на них напряжения возникает магнитное поле, приводящее вал электромотора в движение. Охлаждение осуществляется за счёт установленного на конце вала вентилятора.

Скорость вращения ротора асинхронного мотора зависима от числа полюсов в статоре. При их кратном увеличении происходит снижение оборотов двигателя, но при этом возрастает его мощность.

Ещё одним существенным недостатком является невозможность осуществлять регулировку оборотов. Проблема в том, что она зависит непосредственно от частоты тока, а использование высокоточных модификаторов синуса нецелесообразно. Основное их применение — механизмы и оборудование, работа которых не требует регулировки и большой скорости вращения, при этом на максимальную мощность они должны выходить только при нагрузке. К примеру — циркулярные пилы и прочее столярное оборудование.

Источники:

http://electricalschool.info/spravochnik/maschiny/477-ustrojjstvo-jelektrodvigatelja.html

http://elektro-enot.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-elektrodvigatelya/

http://uelektrika.ru/sovety-elektrika/ustroystvo-yelektrodvigatelya/

http://masterok-remonta.ru/elektrika-i-osveschenie/podklyuchenie-svetodiodnoy-lenty-k-seti-220v-skhem.html

Ссылка на основную публикацию