Электрический двигатель постоянного тока модель: Электродвигатель постоянного тока: принцип работы и действия, устройство, характеристики

Электродвигатель постоянного тока: принцип работы и действия, устройство, характеристики

Содержание

1. Краткая история создания
2. Принцип действия электродвигателя постоянного тока
3. Устройство электродвигателя постоянного тока
4. Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Сейчас невозможно представить нашу жизнь без электродвигателей. Они приводят в действие станки, бытовую технику и инструменты, поезда, трамваи и троллейбусы, компьютеры, игрушки и разные подвижные механизмы, устанавливаются на производственных станках, если частоту вращения рабочего вала требуется регулировать в широком диапазоне. Агрегаты для преобразования электрической энергии в механическую представлены множеством видов и моделей (синхронные, асинхронные, коллекторные и т.д.). Из этой статьи вы узнаете, что такое электродвигатель постоянного тока, его устройство и принцип действия.

Краткая история создания

Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается. Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б.С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом. Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

На мысль о создании двигателя ученых натолкнуто следующее открытие. Помещенная в магнитное поле проволочная рамка с пропущенным по ней током начинает вращаться, создавая механическую энергию. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю. Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока.

Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается.

Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах).

Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников. Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно. Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее).

Устройство электродвигателя постоянного тока

Теперь, когда вы знаете, как работает электродвигатель постоянного тока, пора ознакомиться с его конструкцией.

Как и у других моделей, основу двигателя составляют статор (индуктор) – неподвижная часть, и якорь вкупе с щеточноколлекторным узлом – подвижная часть. Обе части разделены воздушным зазором.

В состав статора входят станина, являющаяся элементом магнитной цепи, а также главные и добавочные полюса. Обмотки возбуждения, необходимые для создания магнитного поля, находятся на главных полюсах. Специальная обмотка, улучшающая условия коммутации, расположена на добавочных полюсах.

Якорь представляет собой узел, состоящий из магнитной системы (она собрана из нескольких листов), набора обмоток (проводников), уложенных в пазы, и коллектора, который подводит постоянный ток к рабочей обмотке.

Коллектор имеет вид цилиндра, собранного из изолированных медных пластин. Он насажен на вал двигателя и имеет выступы, к которым подходят концы секций обмотки якоря. Щетки снимают ток с коллектора, входя с ним в скользящий контакт. Удержание щеток в нужном положении и обеспечение их нажатия на коллектор с определенной силой осуществляется щеткодержателями.

Многие модели двигателей оснащены вентилятором, задача которого – охлаждение агрегата и увеличение продолжительности рабочего периода.

Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока позволяют широко использовать это устройство в самых разных сферах – от бытовых приборов до транспорта. К его преимуществам можно отнести:

• Экологичность. При работе не выделяются вредные вещества и отходы.
• Надежность. Благодаря довольно простой конструкции он редко ломается и служит долго.
• Универсальность. Он может использоваться в качестве как двигателя, так и генератора.
• Простота управления.
• Возможность регулирования частоты и скорости вращения вала – достаточно подключить агрегат в цепь переменного сопротивления.
• Легкость запуска.
• Небольшие размеры.
• Возможность менять направление вращения вала. В двигателе с последовательным возбуждением нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения, во всех остальных типах – в якоре.

Как и любое устройство, электродвигатели постоянного тока имеют и «слабые стороны»:

• Их себестоимость, следовательно, и цена достаточно высока.
• Для подключения к сети необходим выпрямитель тока.
• Самая уязвимая и быстроизнашивающаяся деталь – щетки – требует периодической замены.
• При сильной перегрузке может случиться возгорание. Если соблюдать правила эксплуатации, такая возможность исключена.

Но, как видите, достоинства явно перевешивают, поэтому на данный момент электродвигатель является одним из наиболее экономичных и эффективных устройств. Зная устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, вы сможете самостоятельно собрать и разобрать его для техосмотра, чистки или устранения неисправностей.

Электродвигатель постоянного тока

• Постоянная момента
• Постоянная ЭДС
• Постоянная электродвигателя
• Жесткость механической характеристики

• Напряжение электродвигателя
• Мощность электродвигателя постоянного тока
• Механическая постоянная времени

Постоянная момента

,

• где M — момент электродвигателя, Нм,
• – постоянная момента, Н∙м/А,
• I — сила тока, А

Постоянная ЭДС

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протекающего в проводнике тока.

Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам двигателя. Это и есть противо-ЭДС. Направление противо-ЭДС противоположно приложенному к двигателю напряжению. Значение противо-ЭДС пропорционально частоте вращения и определяется из следующего выражения: [1]

,

• где — электродвижущая сила, В,
• – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
• — угловая частота, рад/с

Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой K_T = K_E. Постоянные K_T и K_E равны друг другу, если они определены в единой системе едениц.

Постоянная электродвигателя

Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока является постоянная электродвигателя K_м. Постоянная электродвигателя определяет способность электродвигателя преобразовывать электрическую энергию в механическую.

,

• где — постоянная электродвигателя, Нм/√Вт,
• R — сопротивление обмоток, Ом,
• – максимальный момент, Нм,
• — мощность потребляемая при максимальном моменте, Вт

Справка: Постоянная электродвигателя вместе с размерами электродвигателя являются основными параметрами для инженера при выборе электродвигателя с лучшим соотношением мощность / объем.

Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток, при условии, что используется один и тот же материал проводника. Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными проводами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом постоянная электродвигателя останется не изменой.

Жесткость механической характеристики двигателя

,

• где — жесткость механической характеристики электродвигателя постоянного тока

Напряжение электродвигателя

Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается падение напряжения в щеточно-коллекторном узле):

,

• где U — напряжение, В.

Уравнение напряжения выраженное через момент двигателя будет выглядеть следующим образом:

Соотношение между моментом и частотой вращения при двух различных напряжениях питания двигателя постоянного тока неизменно. При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается. Наклон этой функции K_TK_E/R постоянный и не зависит от значения напряжения питания и частоты вращения двигателя.

Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это характерно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях [1].

Мощность электродвигателя постоянного тока

Упрощенная модель электродвигателя выглядит следующим образом:

• где I – сила тока, А
• U — напряжение, В,
• M — момент электродвигателя, Н∙м
• R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом,
• L — индуктивность, Гн,

• P_эл — электрическая мощность (подведенная), Вт
• P_мех — механическая мощность (полезная), Вт
• P_теп — тепловые потери, Вт
• P_инд — мощность затрачиваемая на заряд катушки индуктивности, Вт
• P_тр — потери на трение, Вт

Механическая постоянная времени

Механическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое частота вращения ненагруженного электродвигателя достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где — механическая постоянная времени, с

Смотрите также

Основные параметры электродвигателя

Общие параметры для всех электродвигателей

• Момент электродвигателя
• Мощность электродвигателя
• Коэффициент полезного действия
• Номинальная частота вращения

• Момент инерции ротора
• Номинальное напряжение
• Электрическая постоянная времени

Библиографический список

• Т.Кенио, С.Нагамори. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ.-М.: Энергоатомиздат, 1989.

Модель двигателя постоянного тока

с электрическими характеристиками и крутящим моментом, а также неисправностью
моделирование

Блок DC Motor представляет электрические и крутящие
Характеристики двигателя постоянного тока с использованием следующей модели эквивалентной схемы:

Параметры эквивалентной схемы для этой модели указываются при установке
Параметризация модели параметр до По эквиваленту
параметры схемы . Резистор R соответствует
сопротивление, которое вы указываете в Параметр сопротивления якоря .
Катушка индуктивности L соответствует индуктивности, указанной в якоре .
индуктивность параметр.

Вы можете указать, как генерировать магнитное поле двигателя постоянного тока, установив
Введите параметр поля для нужной опции. постоянный
магниты в двигателе индуцируют следующую противо-ЭДС
v _b в якоре:

vb=kvω

, где k _v
Постоянная противо-ЭДС и ω — угловая
скорость. Двигатель создает следующий крутящий момент, который пропорционален двигателю
текущий i :

TE=kti

где k _t
Константа крутящего момента . Двигатель постоянного тока
блок предполагает отсутствие электромагнитных потерь. Это означает, что механическая сила
равна электрической мощности, рассеиваемой противо-ЭДС в якоре. Приравнивание
эти два члена дают:

TEω=vbiktiω=kvωikv=kt

В результате вы указываете либо
к _v или
k _t в параметрах блока.

Если магнитное поле создается током, протекающим по обмоткам,
Постоянная обратной ЭДС зависит от тока возбуждения
I _f :

kv=LafIf

где L _af
Взаимная индуктивность возбуждения-якоря .

Характеристика скорости вращения для блока DC Motor
относится к параметрам на предыдущем рисунке. При установке модели
параметризация параметр по По крутящему моменту и холостому ходу
скорость или По номинальной нагрузке и скорости блок
решает для эквивалентных параметров схемы следующим образом:

1. 0009 Л есть
   нет эффекта.

2. Суммируйте напряжения вокруг контура и переставьте для i :

   i=V−vbR=V−kvωR

3. Подставьте это значение i в уравнение для крутящего момента:

   TE=ktR(V−kvω)

   При установке параметра Параметризация модели на
   По крутящему моменту и скорости холостого хода ,
   блок использует момент опрокидывания и скорость холостого хода, чтобы определить значения для
   Р и к _т
   (и эквивалентно k _v ).

   При установке параметра Параметризация модели на
   По номинальной нагрузке и скорости блок использует
   номинальная скорость и мощность для расчета номинального крутящего момента. В блоке используется
   значения номинального крутящего момента и скорости холостого хода для определения значений
   Р и
   к _т .

Блок моделей инерции двигателя Дж и демпфирования λ
для всех значений параметра Параметризация модели .
результирующий крутящий момент на блоке:

T=ktR(V−kvω)−Jω˙−λω

Не всегда возможно измерить демпфирование ротора, а демпфирование ротора не всегда
указан в паспорте производителя. Альтернативой является использование тока холостого хода для
определите значение демпфирования ротора.

На холостом ходу создаваемый электричеством механический крутящий момент должен равняться демпфированию ротора
крутящий момент:

ktinoload=λωnoload

, где i _noload — ток холостого хода. Если вы
выберите По току холостого хода для Демпфирование ротора
параметризация , то это уравнение используется в дополнение к
уравнение крутящий момент-скорость для определения значений для λ и других
коэффициенты уравнения.

Значение демпфирования ротора, указанное напрямую или в терминах холостого хода
тока, учитывается при определении параметров схемы замещения для
Параметризация модели Опции По крутящему моменту и
скорость холостого хода и По номинальной нагрузке и
скорость .

При протекании положительного тока от электрического + к
портов — , положительный крутящий момент действует от механического
C до R портов.

Ошибки

Блок DC Motor позволяет моделировать два типа
сбои:

Блок может инициировать события сбоя:

Вы можете включить или отключить эти триггерные механизмы отдельно.

Вы можете выбрать, следует ли выдавать подтверждение при возникновении ошибки, используя
Сообщение о возникновении ошибки параметр. Утверждение может
принимать форму предупреждения или ошибки. По умолчанию блок не выдает
утверждение.

На этом рисунке показано общее представление двигателя постоянного тока со щетками, якорем,
коммутаторов и их обмоток:

При установке Включить обрыв обмотки якоря
параметр на На якорь выходит из строя в указанное время
по Время имитации события отказа обмотки якоря
параметр для временной неисправности, или когда токи обмотки превышают значение
Максимально допустимый ток обмотки якоря Параметр для
поведенческая ошибка. При выходе из строя якоря подключаемый к нему источник напряжения
блок наблюдает обрыв цепи в течение части полного оборота двигателя,
определяется Доля оборота, в течение которой якорь
параметр разомкнутой цепи , rev_faulted . Эта фигура
иллюстрирует поведение состояния схемы для определенных rev_faulted
в течение всего периода оборота:

Предопределенная параметризация

Для постоянного магнита доступно несколько встроенных параметров
Блок двигателя постоянного тока.

Эти данные предварительной параметризации позволяют настроить блок для представления
комплектующие от конкретных поставщиков. Параметры этих двигателей постоянного тока соответствуют
паспорта производителя. Чтобы загрузить предопределенную параметризацию, дважды щелкните значок контроллера домена.
Моторный блок, нажмите <щелкните, чтобы выбрать>
гиперссылка параметра Selected part и в блоке
В окне Диспетчер параметризации выберите деталь, которую хотите использовать, из списка
доступные компоненты.

Для получения дополнительной информации о предварительной параметризации и списка доступных
компоненты, см.