Устройство двигателя постоянного тока из чего состоит

• 1 История изобретения
• 2 Устройство электродвигателя
  • 2.1 Устройство двигателя постоянного тока (ДПТ)
  • 2.2 Принцип работы
• 3 Практические работы для учащихся
• 4 Список использованной литературы

Уже на первом этапе развития человек стал применять искусственные орудия труда. С появлением производства начинают складываться условия для возникновения и совершенствования машин. Сначала машины, как и орудия труда, лишь помогали человеку в его деятельности, затем стали постепенно заменять его.

В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое, в свою очередь, приводило в действие различные механизмы. В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое их распространение часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока. Нужно было искать новые источники энергии, чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности. Пробовали энергию ветра, но это оказалось недостаточно эффективным. Стали искать другие источники энергии.

Обратились к энергии пара. Паровой двигатель приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства — паровозы. Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель — небольшой и дешёвый.

В 1860 году француз Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.

Все эти двигатели требовали топлива, и учёные не оставляли попыток изобрести двигатель, работающий на электричестве, — электродвигатель, бесшумный и небольшой. История создания электродвигателя — сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.

Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.

Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 году этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

• расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
• электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
• этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.

Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешёвой. Благодаря сети электропроводов её можно подвести фактически в любую точку земного шара.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

1. индуктор: неподвижная часть;
2. якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Устройство машины постоянного тока

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Модель ДПТ

Из теоретических основ видно, что для электродвигателя присутствие постоянного магнитного поля обязательно. Для этого в маломощных ДПТ применяют постоянные магниты. Для средне- и высокомощных агрегатов требовались бы очень громоздкие магниты, поэтому их заменяют обмоткой возбуждения, иногда – индуктором. По ним пропускают ток, и они формируют магнитное поле.

Элеентарная модель ДТП – это однородное магнитное поле, внутрь которого поставлена рамка. По ней пускают ток. Сначала она оборачивается, а достигнув положения «горизонтально» – останавливается. Такое положение называют мертвой точкой. Останавливается рамка потому, что по одной стороне ток течет в одну сторону, а с другой – в противоположную. Это значит, что они образуют взаимообратные поля. Они возмещают действия друг друга, и движение прекращается. Чтобы оно было бесконечным, необходима еще одна рамка, сцепленная с первой. Тогда всегда какая-то из двух рамок будет создавать разнородность в поле, которая будет заставлять двигаться рамочную систему целиком.

Основные достоинства ДПТ:

1. Простое устройство двигателя.

2. Можно очень легко изменять частоту вращения вала.

3.За счет сильного момента очень хорошие пусковые характеристики.

4. Можно использовать как в качестве двигателя, так же и в качестве генератора.

5. По сравнению с некоторыми другими двигателями, имеет не большие размеры.

1. Очень высокая цена.

2. Если подключать двигатель к переменной сети, то так же нужны выпрямительные устройства.

3. Очень часто приходится обслуживать коллекторно-щёточный узел.

4. Коллектор имеет ограниченный срок службы из-за износа.

5. Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат R_в. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
Рис. 10
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения . Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения I_в = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления R_в в цепи возбуждения.
Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического . Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (I_в) (кривая 1) и вольт — амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения U_в = R_в·I_в, где U_в — падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Рис. 11

Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения R_кр, когда
γ = γ_кр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт — амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

Что такое электровоз и как он работает

Электровоз – очень мощная машина и эту мощность можно повышать существенно, чего не скажешь про тепловоз. Практически все железные дороги нашей страны уже электрифицированы, поэтому электровоз является главным в семье локомотивов. Итак, электровоз — это локомотив, который работает, используя электрический ток, получая его от контактной сети, через контактный провод, поэтому требует для своей работы большой инфраструктуры: контактная сеть, тяговые подстанции и т.д., но он хорошо выигрывает в мощности, скорости и является более экономичным в своей эксплуатации. На наших железных дорогах применяется для питания электровозов две системы тока: постоянный и переменный. Напряжение в контактной сети постоянного тока составляет — 3000 Вольт, а в контактной сети переменного тока – 25000 Вольт.

Контактная сеть

Исходя из этого на железных дорогах эксплуатируются электровозы двух родов тока: постоянного и переменного, есть и представители, совмещающие в своей конструкции обе системы, так называемые, электровозы двойного питания, про них я ниже расскажу. Давайте рассмотрим, что общего в конструкциях электровозов.

Тяговые электродвигатели

Немного освежим в памяти основы электротехники. Если в магнитное поле мы поместим какой-нибудь проводник (рамку) и начнем ее вращать, то в этой самой рамке будет возникать электрический ток, таким образом мы получаем генератор. А если по этой рамке пропустить ток, то получится электродвигатель. Из законов физики известно, что вокруг проводника с током создается магнитное поле – теперь эти оба магнитных потока складываются и вращают рамку с током. В этом и заключается принцип работы всех электродвигателей.

Более подробно это выглядит так: все тяговые электродвигатели (ТЭД) электровозов сложные электрические машины, постоянными магнитами наша промышленность просто не сможет снабдить все электромашины, поэтому магнитный поток, необходимый для вращения якоря, создается в проводниках, путем пропуска по ним электрического тока, это называется – обмотка возбуждения и располагается она в остове электродвигателя по всей его окружности. Эта обмотка включает в себя главные полюса, добавочные полюса и компенсационную обмотку. Якорь тягового электродвигателя состоит из сердечника, коллектора и обмотки, которая укладывается в пазы сердечника. Величина тока в обмотке возбуждения и в обмотке якоря регулируется, соответственно обороты якоря и мощность электродвигателя.

Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД

» data-medium-file=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105-300×204.jpg» data-large-file=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105.jpg» width=»1000″ height=»680″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105.jpg» alt=»Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД» data-id=»9841″ data-full-url=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105.jpg» data-link=»https://dvizhenie24.ru/railway/utrojstvo-teplovozov-prosto-i-dostupno/attachment/dvizhenie24_ru_9105/» data-srcset=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105-300×204.jpg 300w, https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105-768×522.jpg 768w, https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /> Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД

Существует режим реостатного и рекуперативного торможения, то есть, ток от якоря тягового электродвигателя (ТЭД) отключается и якорь вращается в магнитном поле обмотки возбуждения, а это уже генератор. В генераторах возникает сила, называемая противо ЭДС, эта сила всегда направлена против вращения якоря, и она довольно большая. Поэтому в режиме реостатного или рекуперативного торможения электровоз тормозит всеми своими ТЭД, без применения автоматических тормозов, что очень эффективно на затяжных спусках и обеспечивает плавность ведения грузовых и пассажирских поездов. Вот на эти ТЭД и работают все системы электровоза.

Практически на всех электровозах обоих систем тока применяются тяговые электродвигатели постоянного тока. Это коллекторные двигатели со щеточным аппаратом, по которому подается ток на якорь двигателя. Велись активные разработки по применению на электровозах асинхронных тяговых электродвигателей переменного тока, что значительно удешевит стоимость локомотива и уменьшит его вес, но возникали трудности с системами управления этими двигателями. В настоящее время эта проблема решена и уже эксплуатируется парк электровозов с асинхронными ТЭД.

Тележки

Итак, общее в электровозах – тяговые электродвигатели постоянного тока, которые устанавливаются в тележках. Тележка представляет собой рамную конструкцию, на раме которой и крепятся ТЭД. Существует два вида подвески ТЭД: опорно-осевая и опорно-рамная.

Тележка электровоза 2ЭС6 Синара

» data-medium-file=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/06/dvizhenie24_ru_8760-300×185.jpg» data-large-file=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/06/dvizhenie24_ru_8760.jpg» width=»1000″ height=»616″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/06/dvizhenie24_ru_8760.jpg» alt=»Тележка электровоза 2ЭС6 Синара» data-srcset=»https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/06/dvizhenie24_ru_8760-300×185.jpg 300w, https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/06/dvizhenie24_ru_8760-768×473.jpg 768w, https://cdn-dvizhenie24.jq7.ru/2020/06/dvizhenie24_ru_8760.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /> Тележка электровоза 2ЭС6 Синара

Опорно-осевая подвеска ТЭД

В первом случае ось колесной пары закрепляется в пазах двигателя и закрывается крышками, в которых находится смазочный материал: косы из специального материала, смазывающиеся маслом (польстер). Вся эта конструкция называется – моторно-осевой подшипник. На концах оси колесной пары (с одной или с обоих сторон) напрессованы тяговые шестерни, которые входят в зацепление с шестернями, расположенными на якоре электродвигателя. Этот тяговый редуктор закрывается кожухом. Другой конец тягового электродвигателя закрепляется за балку на раме тележки.

Опорно-рамная подвеска ТЭД

Во втором случае, ТЭД крепится к раме тележки, а ось колесной пары с напрессованной на ней тяговой шестерней закреплена с шестерней ТЭД в специальном редукторе, эта схема не требует установки моторно-осевых подшипников и постоянного контроля за уровнем смазки в них.

Как передается тяговое усилие от колесных пар к автосцепкам?

На концах осей колесных пар расположены буксовые узлы. На всех современных электровозах применяются бесчелюстные (поводковые) буксы. Ведь вращающий момент и тяговое усилие от ТЭД и соответственно колесной пары необходимо передать на раму электровоза, а через нее на весь состав. Поэтому тележки имеют, так называемые, приливы, именно к этим приливам через резинометаллические поводки и закреплены буксы. Сами тележки установлены на шкворнях на раме кузова и могут свободно перемещаться в соответствии с профилем пути. Таким образом все необходимые тяговые усилия передаются на раму кузова, на ней с обоих сторон установлены автоматические сцепки, которые соединяются с автосцепками вагонов и вперед, поехали!

На тележках устанавливаются гидравлические гасители колебаний, пружины и рессоры. Тележки могут быть трехосными, двухосными и даже четырехосными, но в настоящее время все отечественные электровозы имеют двухосные тележки и в зависимости от конструкции, электровоз может опираться на две или три двухосные тележки (ВЛ85 ,ВЛ65, ЭП1).

Универсальные коллекторные двигатели — принцип работы и характеристики

В бытовых электроинструментах малой мощности, от которых требуются малые пусковые токи, большой вращающий момент, высокая частота вращения и возможность ее плавной регулировки, используются так называемые универсальные коллекторные двигатели. По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением.

В таких двигателях магнитное поле статора создается за счет питающего напряжения. Только немного изменена конструкция магнитопроводов – она не литая, а наборная, что позволяет уменьшать перемагничивание и нагрев токами Фуко. Последовательно включенная в цепь якоря индуктивность дает возможность менять направление магнитного поля статора и якоря в одном направлении и в той же фазе.

Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.

Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый трансформатор, то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.

[attention type=green]Такие электромоторы способны развивать очень высокие обороты, компактны и имеют больший вращающий момент. Однако наличие коллекторно-щеточного узла снижает их моторесурс – графитовые щетки достаточно быстро истираются на высоких оборотах, особенно если коллектор имеет механические повреждения.[/attention]

Электродвигатели имеют самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.