Двигатели постоянного тока — это повсеместно встречающиеся машины, которые можно найти в различном электронном оборудовании, используемом в различных приложениях.

Обычно эти двигатели используются в оборудовании, требующем некоторой формы управления вращением или созданием движения.Двигатели постоянного тока являются важными компонентами во многих электротехнических проектах.Хорошее понимание работы двигателя постоянного тока и регулирования скорости двигателя позволяет инженерам разрабатывать приложения, обеспечивающие более эффективное управление движением.

В этой статье будут подробно рассмотрены типы доступных двигателей постоянного тока, их режим работы и способы достижения контроля скорости.

Что такое двигатели постоянного тока?

Нравитьсядвигатели переменного токаДвигатели постоянного тока также преобразуют электрическую энергию в механическую.Их работа аналогична работе генератора постоянного тока, который производит электрический ток.В отличие от двигателей переменного тока, двигатели постоянного тока работают от постоянного тока – несинусоидальной, однонаправленной мощности.

Базовая конструкция

Хотя двигатели постоянного тока устроены по-разному, все они содержат следующие основные части:

• Ротор (часть машины, которая вращается; также известная как «якорь»)
• Статор (обмотки возбуждения или «неподвижная» часть двигателя)
• Коллектор (может быть щеточным или бесщеточным, в зависимости от типа двигателя)
• Магниты поля (обеспечивают магнитное поле, которое вращает ось, соединенную с ротором)

На практике двигатели постоянного тока работают на основе взаимодействия магнитных полей, создаваемых вращающимся якорем и статором или неподвижным компонентом.

Бездатчиковый контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока.Изображение использовано с разрешенияКензи Мадж.

Принцип работы

Двигатели постоянного тока работают по принципу электромагнетизма Фарадея, который гласит, что проводник с током испытывает силу, когда его помещают в магнитное поле.Согласно «Правилу левой руки для электродвигателей» Флеминга, движение этого проводника всегда происходит в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю.

Математически мы можем выразить эту силу как F = BIL (где F — сила, B — магнитное поле, I — ток, а L — длина проводника).

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока делятся на разные категории в зависимости от их конструкции.Наиболее распространенные типы включают щеточные или бесщеточные, с постоянными магнитами, последовательные и параллельные.

Коллекторные и бесщеточные двигатели

Коллекторный двигатель постоянного токаиспользует пару графитовых или угольных щеток, которые предназначены для проведения тока от якоря.Эти щетки обычно располагаются в непосредственной близости от коллектора.Другие полезные функции щеток в двигателях постоянного тока включают обеспечение безискровой работы, контроль направления тока при вращении и поддержание чистоты коллектора.

Бесщеточные двигатели постоянного токане содержат угольных или графитовых щеток.Обычно они содержат один или несколько постоянных магнитов, которые вращаются вокруг неподвижного якоря.Вместо щеток в бесщеточных двигателях постоянного тока используются электронные схемы для управления направлением вращения и скоростью.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят из ротора, окруженного двумя противоположными постоянными магнитами.Магниты создают поток магнитного поля при прохождении постоянного тока, который заставляет ротор вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки, в зависимости от полярности.Основным преимуществом двигателя этого типа является то, что он может работать на синхронной скорости с постоянной частотой, что позволяет оптимально регулировать скорость.

Двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой

Последовательные двигатели имеют обмотки статора (обычно изготовленные из медных прутков) и обмотки возбуждения (медные катушки), соединенные последовательно.Следовательно, ток якоря и токи возбуждения равны.Большой ток течет непосредственно от источника питания в обмотки возбуждения, которые толще и меньше, чем в шунтовых двигателях.Толщина обмоток возбуждения увеличивает грузоподъемность двигателя, а также создает мощные магнитные поля, которые придают двигателям постоянного тока очень высокий крутящий момент.

Шунтовые двигатели постоянного тока

В шунтовом двигателе постоянного тока якорь и обмотки возбуждения соединены параллельно.Благодаря параллельному включению обе обмотки получают одинаковое напряжение питания, хотя и возбуждаются раздельно.Шунтовые двигатели обычно имеют больше витков на обмотках, чем последовательные двигатели, что создает мощные магнитные поля во время работы.Шунтовые двигатели могут иметь превосходное регулирование скорости даже при изменяющихся нагрузках.Однако им обычно не хватает высокого пускового момента серийных двигателей.

Схема управления двигателем и скоростью, установленная в мини-дрели.Изображение использовано с разрешенияДилшан Р. Джаякоди

Управление скоростью двигателя постоянного тока

Существует три основных способа регулирования скорости в последовательных двигателях постоянного тока: управление потоком, управление напряжением и управление сопротивлением якоря.

1. Метод управления потоком

В методе управления потоком реостат (разновидность переменного резистора) подключается последовательно с обмотками возбуждения.Целью этого компонента является увеличение последовательного сопротивления обмоток, что уменьшит поток и, следовательно, увеличит скорость двигателя.

2. Метод регулирования напряжения

Метод переменного регулирования обычно используется в шунтирующих двигателях постоянного тока.Опять же, есть два способа добиться контроля регулирования напряжения:

• Подключение шунтирующего поля к фиксированному возбуждающему напряжению при подаче на якорь различных напряжений (так называемое многократное управление напряжением)
• Изменение напряжения, подаваемого на якорь (так называемый метод Уорда Леонарда)

3. Метод контроля сопротивления якоря

Управление сопротивлением якоря основано на том принципе, что скорость двигателя прямо пропорциональна противо-ЭДС.Таким образом, если напряжение питания и сопротивление якоря поддерживаются постоянными, скорость двигателя будет прямо пропорциональна току якоря.