Министерство  образования  и науки РФ 

     Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

     высшего профессионального образования

     «Тульский государственный университет» 

     Политехнический институт 

     Кафедра «Технологические системы пищевых

     и перерабатывающих производств» 

     Контрольно-курсовая работа

     по  дисциплине «Электрооборудование и  средства автоматизации» 

     на  тему:

     «Конструктивное разнообразие и естественные механические характеристики электрического двигателя постоянного тока» 
 
 
 
 

     Выполнила:                                                                                       ст.гр.631071

                                                                                                                Рожкова М.Е. 

     Проверил:                                                                                         док.т.н.Усенко Н.А. 
 

     2011

Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

     Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими машинами. Но электрические  машины могут работать не только в  генераторном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию  в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расходами материалов на единицу мощности, экологически чистые электромеханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества огромное значение.

     Электрический двигатель постоянного тока – машина, суть работы которой заключается в преобразовании постоянного электрического тока в механическую (кинетическую) энергию вращения. Работа эл двигателей постоянного тока основана на принципе электромагнитной индукции. Электрический двигатель постоянного тока состоит из статора и ротора. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора эл двигателя постоянного тока создает вращающий момент, который и является причиной вращения ротора двигателя.

     Целью данной работы является рассмотрение истории, конструктивных особенностей и естественных механических характеристик электрического двигателя постоянного тока. 
 
 
 
 
 

1. История создания электродвигателя с постоянным током

     В 1834 году Якоби в Кёнигсберге, где его увлечения физикой привело к серьёзному изобретению — первому в мире электродвигателю с непосредственным вращением рабочего вала. До изобретения Якоби существовали электротехнические устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря. Якоби отозвался об одном из них: такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов, его нельзя будет применять в большом масштабе с какой-нибудь экономической выгодой... 

     Целью учёного становится создание более  мощного электродвигателя с возможностью его практического применения. В 1834 году Якоби строит электродвигатель основанный на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами.

     Действующая модель электродвигателя Б.С. Якоби находится в Политехническом музее.

     Двигатель состоял из двух групп магнитов: четыре неподвижных были установлены на раме, а остальные на вращающемся роторе. Для попеременного изменения полярности подвижных электромагнитов служил придуманный учёным коммутатор, принцип устройства которого, используется до настоящего времени в тяговых электродвигателях. Двигатель работал от гальванических батарей и на момент создания был самым совершенным электротехническим устройством. Двигатель поднимал груз массой 10—12 фунтов (примерно 4—5 кг) на высоту 1 фут (примерно 30 см) в секунду. Мощность двигателя была около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. В этом же году Якоби направляет рукопись с описанием своей работы в Парижскую академию наук. Изобретение рассматривается на заседани Академи и практически сразу работа публикуется. Таким образом, о построенном в мае 1834 года в Кенисберге двигателе становится широко известно в декабре 1834 года.

     Российский  период

     Работы  Якоби были высоко оценены В. Я. Струве, П. Л. Шиллингом и по их рекомендации Якоби в 1835 году был приглашён на должность профессора в Дерптский университет на кафедру гражданской архитектуры.

     В 1837 году по рекомендации нескольких членов Петербургской академии наук, Якоби  составляет докладную записку с  предложением о практическом применении своего электродвигателя «для приведения в действие мельницы, лодки или локомотива» и подаёт её Министру народного просвещения и президенту Академии графу С. С. Уварову. Предложение Якоби было доведено до сведения Николая I, который даёт распоряжение о создании «Комиссии для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу профессора Якоби». Комиссию поручено возглавить адмиралу И. Ф. Крузенштерну, в состав входят академики Э. Х. Ленц, П. Л. Шиллинг и другие известные учёные. На проведение работ выделилось баснословная по тем временам сумма в 50 тысяч рублей.

2. Устройство  электродвигателей

     Любой электродвигатель постоянного тока (ДПТ) состоит из двух основных частей: неподвижной, на которой расположена обмотка возбуждения, создающая магнитное паче, и вращающейся, сочленённой с механизмом, который нужно привести в движение.

     Неподвижная часть электродвигателя (рис. 1) состоит  из станины, полюсов с надетыми на них катушками нз изолированного медного провода (обмотка возбуждения) и подшипниковых щитов.

     Подвижная часть (якорь) представляет собой стальной вал, на который насажен сердечник  якоря, состоящий из стальных пластин, и коллектор, В прорези (в пазы) якоря закладывается обмотка  из изолированного медного провода, концы которого в определённом порядке присоединяются к пластинам коллектора. Если по обмотке якоря идёт ток, то в результате взаимодействия магнитных полей обмотки якоря и катушек полюсов возникает вращающий момент, заставляющий якорь быстро вращаться.

     Вал якоря вращается в подшипниках; они укреплены в подшипниковых щитах двигателя. Ток подводится к коллектору через элсктрощётки, укреплённые в щёткодержателях.

     Щёткодержатели  в свою очередь закреплены на так  называемой траверсе. Траверса способна поворачиваться на различные углы и таким образом менять положение щёток на коллекторе.

     Поворачивать  щетки приходится в случае искрения под щётками на коллекторе двигателя.

     Таково  коротко устройство электродвигателя. Стандартный электродвигатель заводского изготовления в собранном виде показан на рисунке 2.

       Электродвигатели постоянного тока  могут иметь различные системы  возбуждения.

     Параллельное  возбуждение. В этом случае обмотка  возбуждения присоединяется параллельно  обмотке якоря (рис. 3). При изменении  нагрузки на валу скорость вращения электродвигателей с параллельным возбуждением весьма мало изменяется. Такие электродвигатели применяются в установках, требующих постоянной скорости вращения при различных нагрузках (двигатель-генераторы, воздуходувки, фрезерные и токарные станки).

     Последовательное  возбуждение, В этом случае обмотка  возбуждения присоединяется последовательно с обмоткой якоря (рис. 4), При уменьшении нагрузки на валу скорость вращения электродвигателей с последовательным возбуждением резко возрастает, а если он оставлен без нагрузки, то электродвигатель  может разбить очень большую, опасную для целости конструкции, скорость вращения или, как говорят, «разнести».

     Такие электродвигатели широко применяются  на электрифицированном транспорте для целей тяги и в крановых установках, потому что при трогании с места они развивают большой вращающий момент, а «разнести» не могут, так как не остаются без нагрузки.

     Смешанное возбуждение. В этом случае одна обмотка  возбуждения (большая) соединена параллельно, а другая (меньшая) — соединена последовательно с обмоткой якоря (рис. 5.) У этих электродвигателей изменение скорости вращения в зависимости от нагрузки (механическая характеристика) находится между характеристиками электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением.

     Электродвигатели  со смешанным возбуждением применяются  там,  где требуется   значительный пусковой момент и допустимы небольшие  изменения скорости вращения при  нагрузке (компрессоры, насосы, печатные машины, строгальные станки).

          Бесколлекторный двигатель постоянного тока

     Бесколлекторные двигатели постоянного тока –  эл. двигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора, системы управления и силового полупроводникового преобразователя. Основное преимущество бесколлекторного двигателя постоянного тока – отсутствие вращающихся и переключающихся контактов, что на практике применения увеличивает ресурс работы эл двигателя. Также бесколлекторные двигатели постоянного тока характеризуются высоким быстродействием и динамикой, точностью позиционирования, большой перегрузочной способностью по моменту и низким перегревом электродвигателя при работе в режимах с возможными перегрузками. 

     Рис. 6 Устройство простейшего коллекторного двигателя постоянного тока с двухполюсным статором и с двухполюсным якорем.

     По  некоторым мнениям этот двигатель, можно еще назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простейший двигатель (рис. 6), являющийсямашиной постоянного тока, состоит из одного постоянного магнита на индукторе (статоре), из одного электромагнита с явно выраженными полюсами на якоре (двухполюсногоякоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой из двух частей), щёточноколлекторного узла с двумя пластинами (ламелями) и двумя щётками.

     Простейший  двигатель имеет два положения  ротора (две «мёртвые точки»), из которых  невозможен самозапуск, и неравномерный  крутящий момент. В первом приближении  магнитное поле полюсов статора  равномерное (однородное) и равно:

      ,

     где   — число витков обмотки ротора, 
 — индукция магнитного поля полюсов статора, 
 — ток в обмотке ротора [А], 
 — длина рабочей части витка обмотки [м], 
 — расстояние от оси ротора до рабочей части витка обмотки ротора (радиус) [м], 
 — синус угла между направлением северный-южный полюс статора и аналогичным направлением в роторе [рад], 
 — угловая скорость [рад/сек], 
 — время [сек].

     Из-за наличия угловой ширины щёток  и углового зазора между пластинами (ламелями) коллектора в двигателе  этой конструкции имеются динамически  постоянно короткозамкнутые щётками  части обмотки ротора. Число короткозамкнутых частей обмотки ротора равно числу щёток. Эти короткозамкнутые части обмотки ротора не участвует в создании общего крутящего момента.

     Суммарная короткозамкнутая часть ротора в  двигателях с одним коллектором  равна:

      ,

     где   — число щёток, 
 — угловая ширина одной щётки [радиан].

     Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент   рамок (витков) с током за один оборот равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода (1 оборот = 2π):

      .

     Двигатель, состоит из одного электромагнита на статоре (двухполюсного статора) с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой, трёхполюсного ротора с явно выраженными полюсами и с тремя обмотками (обмотки ротора могут быть включены звездой или треугольником), щёточноколлекторного узла с тремя пластинами (ламелями) и с двумя щётками. Самозапуск возможен из любого положения ротора. Имеет меньшую неравномерность крутящего момента, чем двигатель с двухполюсным ротором (рис. 6).

     ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы.

     Сокращение  ДПТ (двигатель постоянного тока) является неудачным, так как название «двигатель переменного тока» имеет  то же сокращение — ДПТ. Но так как двигатели переменного тока разделяются на асинхронные (АД) и синхронные (СД), сокращение ДПТ относят к двигателям постоянного тока.

     Статор (индуктор)

     На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения).

     В простейшем случае статор имеет два  полюса, то есть один магнит с одной  парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют  две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации.

     Ротор (якорь)

     Ротор состоит из электромагнитов с  переключаемой полярностью, датчика  положения ротора и переключателя (в обычных машинах это функции  коллектора). В простейшем случае, ротор состоит из одного электромагнита с двумя полюсами, то есть имеет одну пару полюсов, при этом есть две «мёртвые точки», из которых невозможен самозапуск двигателя.

     Ротор с тремя полюсами (условно полторы  пары) имеет наименьшее число полюсов  ротора, при которых самозапуск возможен из любого положения ротора. На самом деле, один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет неявные две пары полюсов.

     Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).

     При вычислении момента инерции ротора его, в первом приближении, можно считать сплошным однородным цилиндром с моментом инерции, равным:

      ,

     где   — масса цилиндра (ротора), 
а   — радиус цилиндра (ротора).

     Коллектор

     Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

     Конструкции коллекторов имеют множество  разновидностей.

     Выводы  всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

     Щёточный  узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

     Щётки с большой частотой размыкают  и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходятпереходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов.

     При больших токах в роторе ДПТ  возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора недопустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

3. Конструктивное разнообразие электродвигателей постоянного тока

     Классификация.

     ДПТ классифицируют по виду магнитной системы  статора:

• с постоянными магнитами;
• с электромагнитами:

• с независимым включением обмоток (независимое возбуждение);
• с последовательным включением обмоток (последовательное              возбуждение);
• с параллельным включением обмоток (параллельное возбуждение);
• со смешанным включением обмоток (смешанное возбуждение):
• с преобладанием последовательной обмотки;
• с преобладанием параллельной обмотки;

     Вид подключения обмоток статора  существенно влияет на тяговые и  электрические характеристики электродвигателя.

     Разновидности.

     Коллекторные, с щёточноколлекторным переключателем тока:

     С одним коллектором (щёточноколлекторным узлом) и   обмотками, где   — число пар полюсов ротора, с соединением обмоток ротора в кольцо (по этой классификации двигатель на рис. 2 является полуторным, имеет полторы пары полюсов и   обмотки ротора). Имеют большую, короткозамкнутую щётками, часть обмотки ротора, равную:

      , где   — число щёток,   — угловая ширина одной щётки (рад),   — число пи (3,14…).

     С двумя коллекторами (щёточноколлекторными узлами, в бесколлекторных — с инвертором на двух параллельных мостах) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусный, двухфазный) с неоднородным (синусообразным) магнитным полем полюсов статора. Имеют малую нерабочую часть под кривой крутящего момента, равную:

      ,

     где  , a   — угловая ширина зазора между пластинами коллектора (ламелями).

     Подобен двухфазному бесколлекторному.

     С тремя коллекторами и тремя обмотками (в бесколлекторных с инвертором на трёх параллельных мостах, трёхфазный).

     С четырьмя коллекторами (щёточноколлекторными узлами) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусные), специальные. Специальная конструкция коллектора с четырьмя коллекторами (один коллектор на одну щётку) позволяет почти до нуля уменьшить нерабочую часть крутящего момента (нерабочая часть крутящего момента в этом двигателе зависит от точности изготовления деталей) и сделать используемую часть крутящего момента независимой от угловой ширины щётки. При этом угловая ширина одной пластины коллектора равна:

      , где   — угловая ширина одной щётки.

     С четырьмя коллекторами и четырьмя обмотками (в бесколлекторных — с инвертором на четырёх параллельных мостах, четырёхфазный).

     С восемью коллекторами (щёточноколлекторными узлами). В этом двигателе уже нет рамок, а ток подаётся через коллекторы в отдельные стержни ротора.

     Бесколлекторные, с электронным переключателем тока

     Электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР) (вентильный электродвигатель).

     Ротор является постоянным магнитом, а обмотки  статора переключаются электронными схемами — инверторами. Бесколлекторные электродвигатели могут быть однофазными (две «мёртвые точки»), двухфазными (синусно-косинусными), трёх- и более фазными.

     Бесколлекторный двигатель постоянного тока с выпрямителем (мостом) может заменить универсальный коллекторный двигатель (УКД). 

     Другие  виды электродвигателей постоянного тока

• Униполярный электродвигатель (униполярный генератор)

     Униполярный электродвигатель — разновидность  электрических машин постоянного  тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси  вращения диска, 1 токосъёмник на оси  диска и 2-ой токосъёмник у края диска.

     Рис. 7. Проводящий диск в магнитном поле.

     Первый  униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу, описав его  в книге «Исследование магнитных  притяжений», опубликованной в 1824 году.

     Колесо  Барлоу представляло из себя два медных зубчатых колеса, находящихся на одной оси. В результате взаимодействия тока, проходящего через колёса с магнитным полем постоянных магнитов колёса вращаются.

     Барлоу  выяснил, что при перемене контактов  или положения магнитных полюсов  происходит смена направления вращения колёс на противоположное.

• Универсальный коллекторный двигатель,— работает и на постоянном токе, и на переменном. Применяется в ручных электроинструментах (электродрели, электролобзики, электропилы, электрорубанки и др.), пылесосах, кофемолках, блендерах и др.

     Рис. 8. Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

     Особенности конструкции.

     Строго  говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем  постоянного тока с последовательно  включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону.

     Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого  материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин.

     Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что  в режиме малых оборотов (пуск и  перегрузка) индуктивное сопротивление  обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

     Реверсирование  УКД осуществляется переключением  полярности включения обмоток только статора или только ротора.

3. Механическая характеристика

     В электротехнике принято различать  естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Естественная характеристика соответствует номинальным (рабочим) условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.