Двигатели постоянного тока — это компоненты движения, которые принимают электрическую энергию в виде постоянного тока (или какой-либо управляемой формы постоянного тока) и преобразуют ее в механическое вращение. Двигатели делают это за счет использования магнитных полей, которые возникают из-за электрических токов, чтобы стимулировать вращение ротора, закрепленного на выходном валу. Выходной крутящий момент и скорость зависят от электрического входа и конструкции двигателя.

Двигатель постоянного тока (DC) — это электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую.

Согласно наиболее распространенным на сегодняшний день отраслевым соглашениям об именовании, существует три подтипа двигателей постоянного тока: щеточные двигатели постоянного тока, двигатели с постоянными магнитами постоянного тока (PM) и универсальные двигатели постоянного тока. Как мы увидим, есть некоторые предостережения и подклассификации.

Многие более крупные двигатели постоянного тока по-прежнему используют щетки и намотанные обмотки, хотя двигатели PM доминируют в приложениях с небольшой и интегральной мощностью менее 15 кВт (18 л.с.), и двигатели PM все чаще используются в различных конструкциях.

Некоторые инженеры называют щеточные двигатели постоянного тока двигателями с намотанными обмотками, потому что электромагнитное поле создается намотанной и покрытой лаком катушкой медного провода. Некоторые инженеры также утверждают, что все двигатели постоянного тока являются щеточными двигателями постоянного тока и что термин “бесщеточный двигатель постоянного тока” является неправильным.

Классификация двигателей постоянного тока

Независимо от термина, существуют двигатели постоянного тока с постоянными магнитами, с независимым возбуждением, с параллельным (шунтовым) возбуждением, с последовательным возбуждением и щеточные двигатели с компаундной обмоткой.

Все, кроме первого, используют два тока:

1. Ток через обмотки якоря (ротора) для взаимодействия с магнитным полем статора (для создания механического вращения) и

2. Ток через обмотки статора для создания магнитного поля.

В отличие от них, щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами используют:

1. Ток через обмотки якоря (ротора) для взаимодействия с магнитным полем статора (для создания механического вращения) и

2. Постоянные магниты на статоре создают магнитное поле.

Якорь и катушки возбуждения двигателя с шунтирующей обмоткой возбуждения подключаются в параллель таким образом, что ток возбуждения пропорционален нагрузке на двигатель.

Якорь и катушки возбуждения двигателя с последовательным возбуждением подключается в последовательно поэтому ток проходит одновременно через якорь и через катушки возбуждения.

Якорь и катушки возбуждения двигатели с компаундной обмоткой возбуждения включают в себя оба типа подключения обмоток возбуждения — последовательное и параллельное обмотки.

Независимо от возбуждения, щеточные двигатели постоянного тока имеют коллекторы и щеточные контакты для передачи тока на обмотки из медной проволоки вращающегося ротора. Разработчики могут регулировать скорость, изменяя напряжение на роторе (и ток вместе с ним) или изменяя магнитный поток между ротором и статором посредством регулировки тока обмотки возбуждения. Ориентация щетки относительно сегментов коллекторной планки ротора механически управляет переключением фаз.

Принцип действия двигателей постоянного тока

На самом деле, щеточные двигатели постоянного тока позволяют разработчикам управлять обмотками возбуждения и ротора это означает, что они подходят для применений, где требуется простое и экономичное регулирование крутящего момента и скорости.

Тем не менее, повышенная функциональность электроники для двигателей PM означает, что это преимущество менее выражено, чем было раньше. Что еще хуже, ток как на роторе, так и на статоре генерирует тепло, которое ограничивает номинальную мощность двигателей постоянного тока. Двигатели также представляют опасность искрообразования, поэтому не могут работать во взрывоопасных условиях. В определенные периоды во время вращения двигателя постоянного тока коммутатор должен переключать ток в обратном направлении, сокращая срок службы двигателя из-за дуги и трения. Таким образом, щеточные двигатели постоянного тока требуют большего технического обслуживания в виде замены пружин и щеток, которые пропускают электрический ток, а также замены или очистки коллектора. Эти компоненты важны для передачи электрической энергии от источника питания двигателя к обмоткам вращающейся катушки ротора внутри двигателя.

Примечание: Щетки в щеточных двигателях постоянного тока изнашиваются и нуждаются в замене, а частицы износа щеток означают, что проектировщикам не следует использовать щеточные двигатели постоянного тока в чистых помещениях. То же самое касается применений, требующих высокой точности, поскольку трение от зацепления щетки и коллектора приводит к длительному времени установления положения.

Двигатели с последовательным возбуждением

Как уже упоминалось, якорь (ротор) и катушки возбуждения в двигателях с последовательной обмоткой соединяются последовательно. Это означает, что весь ток якоря (ротора) проходит к обмотке возбуждения. Таким образом, этим двигателям требуется только один источник входного напряжения. Крутящий момент равен квадрату тока. Увеличение тока якоря (ротора) вызывает увеличение тока возбуждения. Рекуперативное торможение невозможно; ток возбуждения уменьшается, когда ток ротора проходит через ноль и меняется на противоположный.

Крутящий момент самый высокий, когда двигатель останавливается, потому что якорь (ротор) не генерирует обратной электродвижущей силы (bEMF) в состоянии покоя. Когда якорь (ротор) ускоряется, bEMF увеличивается. Это, в свою очередь, снижает эффективный ток, напряжение и крутящий момент. Без нагрузки двигатель разгоняется до опасных скоростей. Напротив, повышенная нагрузка замедляет работу двигателя, но снижает bEMF и увеличивает крутящий момент для поворота нагрузки.

Двигатели с последовательным возбуждением не могут хорошо регулировать скорость, так как регулирование скорости зависит от регулировки напряжения питания. Тем не менее, они недороги и могут приводить в действие конструкции, требующие высокого пускового момента. Например, конструкторы используют двигатели с последовательным возбуждением в автомобильных механизмах малой и высокой мощности, потребительских товарах, таких как электроинструменты, игрушки и швейные машины, а также в промышленных и железнодорожных тяговых приводах с фиксированной и переменной скоростью. Конструкторы могут реверсировать двигатели с последовательным возбуждением, меняя местами соединения обмоток возбуждения или якоря (ротора).

Двигатели с параллельным возбуждением

Как уже упоминалось, якорь и катушки возбуждения в шунтирующем двигателе соединяются параллельно, поэтому ток возбуждения пропорционален нагрузке на двигатель. Входное переменное напряжение позволяет регулировать скорость. Подавайте фиксированное напряжение на двигатель с шунтирующей обмоткой, чтобы он работал с постоянной скоростью. Затем подайте увеличивающийся ток двигателя на двигатель с шунтирующей обмоткой, чтобы увеличить крутящий момент без значительного замедления.

В двигателях с шунтирующей обмоткой обмотка возбуждения (статора) соединяется параллельно с обмоткой якоря (ротора).

С помощью этих двигателей технология, называемая ослаблением поля, позволяет регулировать скорость, не заставляя органы управления изменять входное напряжение. Реостат с обмоткой возбуждения уменьшает ток возбуждения (статора), а вместе с ним и магнитный поток между якорем и полем — через воздушный зазор, который их разделяет. Скорость обратно пропорциональна потоку, поэтому это ускоряет двигатель. Одно предостережение: крутящий момент прямо пропорционален потоку, поэтому ускорение сопровождается уменьшением выходного крутящего момента.

Стабилизирующие обмотки предотвращают ускорение при увеличении нагрузки при слабых величинах поля. Единственная загвоздка заключается в том, что для реверсивных приложений требуется реверсирование этой обмотки, чтобы обеспечить реверсирование напряжения якоря (ротора). Это требует использования реверсивных контакторов. Поэтому для движения задним ходом иногда производители просто проектируют шунтирующие двигатели с более высокой стабильностью и опускают стабилизирующие обмотки.

Примечание: Работа щеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами во многом аналогична работе двигателя с шунтирующей обмоткой, за исключением режима создания потока поля.

Изменение соединений двигателя с шунтирующей обмоткой либо на обмотках ротора, либо на обмотке возбуждения изменяет направление вращения двигателя; самовозбуждение поддерживает поле, когда ток ротора меняется на противоположный, что означает, что двигатели могут выполнять рекуперативное торможение.

Двигатели с шунтирующей обмоткой приводят в действие станки и автомобильные вентиляторы и стеклоочистители.

Двигатели с независимым возбуждением

Двигатели с независимым возбуждением представляют собой щеточные двигатели постоянного тока с независимой подачей напряжения на возбуждение (статор) и якорь (ротор) для лучшего контроля мощности двигателя. Входное напряжение на любой обмотке может регулировать выходную скорость двигателя и крутящий момент.

Двигатели с компаундной обмоткой

Большинство производителей изготавливают двигатели с компаундной обмоткой с последовательными и параллельными обмотками возбуждения. Направление, сила и направление двух обмоток определяют кривые скорости и крутящего момента двигателя.

Двигатели с компаундной обмоткой хорошо подходят для тяги в автомобилях или железнодорожных составах.

В щеточном двигателе постоянного тока магнит действует как статор. Якорь встроен в ротор, а коммутатор переключает поток тока. Функция коммутатора заключается в передаче тока от неподвижной точки к вращающемуся валу. Щеточные двигатели постоянного тока генерируют крутящий момент непосредственно от источника постоянного тока, подаваемого на двигатель, с помощью внутренней коммутации, неподвижных постоянных магнитов и вращающихся электромагнитов.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

С другой стороны, бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) отказываются от механической коммутации в пользу электронной, что устраняет механический износ, связанный с щеточными двигателями постоянного тока. В двигателях постоянного тока постоянный магнит размещен в роторе, а катушки — в статоре. Обмотки катушки создают вращающееся магнитное поле, поскольку они электрически отделены друг от друга, что позволяет их включать и выключать. Коммутатор BLDC не подает ток на ротор. Вместо этого поле постоянного магнита ротора следует за полем вращающегося статора, создавая поле ротора.