Nyní je nemožné si představit náš život bez elektromotorů. Pohánějí obráběcí stroje, domácí spotřebiče a nářadí, vlaky, tramvaje a trolejbusy, počítače, hračky a různé pohyblivé mechanismy a instalují se na výrobní stroje, pokud je třeba upravit rychlost otáčení pracovního hřídele v širokém rozsahu. Jednotky pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii jsou prezentovány v mnoha typech a modelech (synchronní, asynchronní, kolektorové atd.). Z tohoto článku se dozvíte, co je stejnosměrný elektromotor, jeho konstrukce a princip činnosti.
Stručná historie stvoření
O vytvoření ekonomického a výkonného motoru se již od první poloviny 19. století pokoušeli různí vědci. Základem byl objev M. Faradaye, uskutečněný v roce 1821. Zjistil, že vodič umístěný v magnetickém poli rotuje. Na základě toho dokázal v roce 1833 sestrojit vynálezce Thomas Davenport motor na stejnosměrný proud a později, v roce 1834, přišel vědec B. S. Jacobi s prototypem moderního modelu motoru s otočnou hřídelí. Zařízení více podobné moderním jednotkám se objevilo v roce 1886 a dodnes se elektromotor stále zdokonaluje.
Princip činnosti stejnosměrného motoru
Následující objev podnítil myšlenku vytvořit motor pro vědce. Drátěný rám umístěný v magnetickém poli, kterým prochází proud, se začne otáčet a vytvářet mechanickou energii. Princip činnosti stejnosměrného elektromotoru je založen na interakci magnetických polí rámu a samotného magnetu. Ale jeden rám po určitém počtu otáček zamrzne v poloze rovnoběžné s vnějším magnetickým polem. Pro pokračování pohybu je nutné přidat druhý snímek a v určitém okamžiku přepnout směr proudu.
Motor místo rámů používá sadu vodičů, do kterých je přiváděn proud, a kotvu. Při spuštění je kolem něj vybuzeno magnetické pole, které interaguje s polem vinutí. To způsobí, že se kotva otočí pod určitým úhlem. Přívod proudu do dalších vodičů vede k další rotaci kotvy a poté proces pokračuje.
Magnetické pole je vytvářeno buď pomocí permanentního magnetu (u jednotek s nízkým výkonem) nebo pomocí induktoru/budícího vinutí (u výkonnějších jednotek).
Střídavé nabíjení vodičů kotvy zajišťují kartáče z grafitu nebo slitiny grafitu a mědi. Slouží jako kontakty, které uzavírají elektrickou síť na svorky párů vodičů. Svorky, navzájem izolované, jsou prstencem několika lamel, který je umístěn na ose hřídele kotvy a nazývá se kolektorová jednotka. Díky střídavému uzavírání lamel kartáči se motor otáčí rovnoměrně. Stupeň rovnoměrnosti chodu motoru závisí na počtu vodičů (čím více, tím rovnoměrnější).
Konstrukce stejnosměrného motoru
Nyní, když víte, jak stejnosměrný motor funguje, je čas seznámit se s jeho konstrukcí.
Stejně jako u ostatních modelů je základem motoru stator (induktor) – stacionární část a kotva spolu s kartáčovo-sběrnou jednotkou – pohyblivá část. Obě části jsou odděleny vzduchovou mezerou.
Součástí statoru je rám, který je prvkem magnetického obvodu, dále hlavní a přídavné póly. Vinutí pole potřebná k vytvoření magnetického pole jsou umístěna na hlavních pólech. Na přídavných pólech je umístěno speciální vinutí, které zlepšuje spínací podmínky.
Kotva je jednotka skládající se z magnetického systému (je sestavena z několika plechů), soustavy vinutí (vodičů) uložených v drážkách a kolektoru, který dodává stejnosměrný proud do pracovního vinutí.
Kolektor má tvar válce sestaveného z izolovaných měděných plátů. Je namontován na hřídeli motoru a má výstupky, na které dosedají konce sekcí vinutí kotvy. Kartáče odvádějí proud z komutátoru tím, že se s ním dostanou do kluzného kontaktu. Přidržení kartáčů v požadované poloze a zajištění jejich přitlačení na komutátor určitou silou se provádí pomocí držáků kartáčů.
Mnoho modelů motorů je vybaveno ventilátorem, jehož účelem je chlazení jednotky a prodloužení doby provozu.
Vlastnosti a vlastnosti stejnosměrného motoru
Provozní vlastnosti stejnosměrného elektromotoru umožňují široké použití tohoto zařízení v nejrůznějších oblastech – od domácích spotřebičů až po dopravu. Mezi jeho výhody patří:
- Šetrnost k životnímu prostředí. Během provozu se neuvolňují žádné škodlivé látky ani odpad.
- Spolehlivost. Díky poměrně jednoduchému designu se málokdy rozbije a dlouho vydrží.
- Všestrannost. Může být použit jako motor i generátor.
- Snadná správa.
- Možnost regulace frekvence a rychlosti otáčení hřídele – stačí jednotku připojit k obvodu s proměnným odporem.
- Snadné spuštění.
- Malé velikosti.
- Možnost změny směru otáčení hřídele. U motoru se sériovým buzením je nutné změnit směr proudu v budicím vinutí, u všech ostatních typů v kotvě.
Stejně jako každé zařízení mají stejnosměrné motory také „slabé stránky“:
- Jejich cena, a tedy i cena, je poměrně vysoká.
- Pro připojení k síti je nutný usměrňovač proudu.
- Nejzranitelnější a nejnositelnější část – kartáče – vyžaduje pravidelnou výměnu.
- Při silném přetížení může dojít k požáru. Při dodržení provozního řádu je tato možnost vyloučena.
Ale jak vidíte, výhody jednoznačně převažují, takže v současné době je elektromotor jedním z nejúspornějších a nejefektivnějších zařízení. Znáte-li strukturu a princip fungování stejnosměrného elektromotoru, můžete jej nezávisle sestavit a rozebrat pro kontrolu, čištění nebo odstraňování problémů.
6.1. Účel, zařízení a způsoby buzení stejnosměrných motorů
Stejnosměrný motor (stejnosměrný motor) je elektrický stroj určený k přeměně stejnosměrné elektrické energie na mechanickou energii.
DCT se svou konstrukcí neliší od stejnosměrných generátorů, protože stejnosměrné elektrické stroje jsou reverzibilní a mohou pracovat v režimu generátoru i motoru. Hlavními výhodami DMT oproti asynchronním motorům je schopnost plynule řídit rychlost otáčení a dobré startovací vlastnosti.
DPT se používají v elektrických vozidlech, ve zdvihacích a dopravních strojích a válcovnách, stejně jako jako akční členy v automatických řídicích systémech.
Hlavní části DPT jsou stator (induktor) a rotor (kotva) Obr. 6.1.
Stator sestává z ocelového pouzdra 1, ke kterému jsou připevněny hlavní póly 2 s pólovými nástavci 3, které spolu s pouzdrem tvoří magnetický obvod. Pólové nástavce slouží k rovnoměrnému rozložení magnetické indukce v mezeře mezi póly statoru a kotvou. Na hlavních pólech jsou budicí vinutí 4, zapojené do série a určené k vytvoření magnetického pole motoru.
Rýže. 6.1. Konstrukce stejnosměrného motoru.
Kotva (rotor) 5 je válec s podélnými drážkami na povrchu, vyrobený z plechů z elektrooceli a uložený na hřídeli 7 otáčející se v ložiskách. V drážkách kotvy je umístěno vinutí 11. Kolektor 6, umístěný na hřídeli, je válec vyrobený z měděných plechů izolovaných od sebe a od hřídele. Vinutí kotvy je rozděleno do sekcí, z nichž každá je umístěna ve dvou svých štěrbinách. Vodiče sekce vinutí jsou připojeny k odpovídajícím kolektorovým deskám (obr. 6.2).
Rýže. 6.2. Způsoby připojení vinutí kotvy ke kolektoru:
a) smyčka; b) vlna.
Ke komutátoru je pomocí pružiny (viz obr. 8) přitlačován kartáčový držák s kartáčem 6.1, který zajišťuje spojení otočného vinutí kotvy s vnějším elektrickým obvodem. Kartáče jsou instalovány na geometrickém neutrálu (GN) – přímce kolmé k ose stroje. Přídavné póly 9 s vinutím 10 slouží ke snížení jiskření pod kartáči komutátoru.
Podle toho, jak je budicí vinutí připojeno vůči kotvě, se rozlišuje DCT s nezávislým buzením a samobuzením, které se dělí na paralelní, sériové a smíšené (obr. 6.3.).
Rýže. 6.3. Budicí obvody pro stejnosměrné motory:
a) nezávislý; b) paralelní; c) konzistentní; d) smíšené.
Uvažujme činnost stejnosměrných motorů na příkladu paralelně buzeného motoru.
6.2. Princip činnosti stejnosměrného motoru a jeho základní rovnice
Konstantní napětí je přiváděno do budícího vinutí statoru a přes kolektor do vinutí kotvy. Proud procházející budícím vinutím vytváří konstantní magnetický tok mezi póly statoru
buzení F (obr. 6.4.).
Rýže. 6.4. Rozložení magnetického pole v nezatíženém motoru.
Když tento tok interaguje s proudem vinutí kotvy, vznikají elektromagnetické síly FEM (obr. 6.5.).
Rýže. 6.5. Princip činnosti motoru (a) a ekvivalentního obvodu obvodu kotvy (b).
Kolektor DPT funguje jako spínač, který zajišťuje, že směr proudu zůstává konstantní ve vodičích vinutí kotvy umístěných pod póly statoru. Obrázek 6.5 (a) ukazuje směr působení elektromagnetických sil, pokud proud pod severním pólem směřuje k nám a pod jižním pólem – od nás.
Kombinací elektromagnetických sil vzniká krouticí moment MBP = M, jehož hodnota je určena výrazem (6.1) a motor se začne otáčet.
kde CМ – koeficient v závislosti na konstrukci vinutí kotvy a počtu pólových párů motoru;
Ф – magnetický tok hlavních pólů motoru;
IЯ – proud kotvy motoru.
Když se kotva otáčí ve svém vinutí, v důsledku průniku magnetických siločar se indukuje emf E, nasměrované proti napájecímu napětí. Jeho hodnota je určena jako
kde Ce – koeficient v závislosti na konstrukci motoru;
n – rychlost otáčení kotvy motoru;
Aplikováním druhého Kirchhoffova zákona na ekvivalentní obvod obvodu kotvy (obr. 6.5.b) získáme
