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.
Принцип работы электродвигателей
Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.
Магнетизм
Наиболее характерное магнитное явление — притяжение магнитом кусков железа — известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются друг от друга.
Магнитное поле
Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.
Электромагнетизм
Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.
Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.
Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.
Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.
Ротор:
Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.
Статор:
Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.
Вращение под действием магнитного поля
Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.
Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса — притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.
Чередование полюсов с помощью переменного тока
Чередование полюсов с помощью переменного тока
Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:
Переменный ток — AC
Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.
Трёхфазный переменный ток
Трёхфазное питание — это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).
Смена полюсов
На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.
Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор — катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе — B1 и B2 , а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Таким образом, если A1 — северный полюс, то A2 — южный.
Питание в сети переменного тока
Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.
Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.
Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)
Вращение ротора
Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.
Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.
Индукция
Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.
Индукция
В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.
В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция — это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).
Принцип действия электродвигателей
Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.
Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.
Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.
Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.
Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.
Статор элетродвигателя
Статор — это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.
Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью — из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.
Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры — класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.
Ротор элетродвигателя
В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.
При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.
Асинхронные электродвигатели
В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.
Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).
Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.
Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.
