Рабочие характеристики двигателей постоянного тока

Пуск с помощью пускового реостата

В этом случае в цепь вводится переменное сопротивление, которое на начальном этапе обеспечивает снижение токовой нагрузки, пока вращение ротора не достигнет установленных оборотов. По мере стабилизации ампеража до стандартной величины в реостате уменьшается сопротивление от максимального значения до минимального.

Расчет электрической величины в этом случае будет производиться по формуле:

I = U / (Rобм + Rреостата)

В лабораторных условиях уменьшение нагрузки может производиться вручную – посредством перемещения ползунка реостата. Однако в промышленности такой метод не получил широкого распространения, так как процесс не согласовывается с токовыми величинами. Поэтому применяется регулировка по току, по ЭДС или по времени, в первом случае задействуется измерение величины в обмотках возбуждения, во втором, на каждую ступень применяется выдержка времени.

Оба метода используются для запуска электродвигателей:

• с последовательным;
• с параллельным возбуждением;
• с независимым возбуждением.

Запуск ДПТ с параллельным возбуждением

Такой запуск электродвигателя осуществляется посредством включения и обмотки возбуждения, и якорной к напряжению питания электросети, друг относительно друга они располагаются параллельно. То есть каждая из обмоток электродвигателя постоянного тока находятся под одинаковой разностью потенциалов. Этот метод запуска обеспечивает жесткий режим работы, используемый в станочном оборудовании. Токовая нагрузка во вспомогательной обмотке при запуске имеет сравнительно меньший ток, чем обмотки статора или ротора.

Для контроля пусковых характеристик сопротивления вводятся в обе цепи:

Рис 1. Запуск ДПТ с параллельным возбуждением

На начальном этапе вращения вала позиции реостата обеспечивают снижение нагрузки на электродвигатель, а затем их обратно выводят в положение нулевого сопротивления. При затяжных запусках выполняется автоматизация и комбинация нескольких ступеней пусковых реостатов или отдельных резисторов, пример такой схемы включения приведен на рисунке ниже:

Рис. 2. Ступенчатый пуск двигателя параллельного возбуждения

• При подаче напряжения питания на электродвигатель ток, протекающий через рабочие обмотки и обмотку возбуждения, за счет магазина сопротивлений Rпуск1, Rпуск2, Rпуск3 нагрузка ограничивается до минимальной величины.
• После достижения порогового значения минимума токовой величины происходит последовательное срабатывание реле K1, K2, K3.
• В результате замыкания контактов реле K1.1 шунтируется первый резистор, рабочая характеристика в цепи питания электродвигателя скачкообразно повышается.
• Но после снижения ниже установленного предела замыкаются контакты K2.2 и процесс повторяется снова, пока электрическая машина не достигнет номинальной частоты вращения.

Торможение электродвигателя постоянного тока может производиться в обратной последовательности за счет тех же резисторов.

Запуск ДПТ с последовательным возбуждением

Рис. 3. Запуск ДПТ с последовательным возбуждением На рисунке выше приведена принципиальная схема подключения электродвигателя с последовательным возбуждением. Ее отличительная особенность заключается в последовательном соединении катушки возбуждения Lвозбуждения и непосредственно мотора, переменное сопротивление Rякоря также вводится последовательно.

По цепи обеих катушек протекает одинаковая токовая величина, эта схема обладает хорошими параметрами запуска, поэтому ее часто используют в электрическом транспорте. Такой электродвигатель запрещено включать без усилия на валу, а регулирование частоты осуществляется в соответствии с нагрузкой.

Пуск ДПТ с независимым возбуждением

Подключение электродвигателя в цепь с независимым возбуждением производится путем ее запитки от отдельного источника.

Рис. 4. Запуск ДПТ с независимым возбуждением

На схеме приведен пример независимого подключения, здесь катушка Lвозбуждения и сопротивление в ее цепи Rвозбуждения получают питание отдельно от обмоток двигателя током независимого устройства. Для обмоток двигателя также включается регулировочный реостат Rякоря. При этом способе запуска машина постоянного тока не должна включаться без нагрузки или с минимальным усилием на валу, так как это приведет к нарастанию оборотов и последующей поломке.

Принцип преобразования энергии

Принцип работы электродвигателя любого типа заключается в использовании электромагнитной индукции, возникающей внутри устройства после подключения в сеть. Для того чтобы понять, как эта индукция создается и приводит элементы двигателя в движение, следует обратиться к школьному курсу физики, объясняющему поведение проводников в электромагнитном поле.

Итак, если мы погрузим проводник в виде обмотки, по которому движутся электрические заряды, в магнитное поле, он начнет вращаться вокруг своей оси. Это связано с тем, что заряды находятся под влиянием механической силы, изменяющей их положение на перпендикулярной магнитным силовым линиям плоскости. Можно сказать, что эта же сила действует на весь проводник.

Схема, представленная ниже, показывает токопроводящую рамку, находящуюся под напряжением, и два магнитных полюса, придающие ей вращательное движение.

Картинка кликабельна.

Именно эта закономерность взаимодействия магнитного поля и токопроводящего контура с созданием электродвижущей силы лежит в основе функционирования электродвигателей всех типов. Для создания аналогичных условий в конструкцию устройства включают:

• Ротор (обмотка) – подвижная часть машины, закрепленная на сердечнике и подшипниках вращения. Она исполняет роль токопроводящего вращательного контура.
• Статор – неподвижный элемент, создающий магнитное поле, воздействующее на электрические заряды ротора.
• Корпус статора. Оснащен посадочными гнездами с обоймами для подшипников ротора. Ротор размещается внутри статора.

Для представления конструкции электродвигателя можно создать принципиальную схему на основе предыдущей иллюстрации:

После включения данного устройства в сеть, по обмоткам ротора начинает идти ток, который под воздействием магнитного поля, возникающего на статоре, придает ротору вращение, передаваемое на крутящийся вал. Скорость вращения, мощность и другие рабочие показатели зависят от конструкции конкретного двигателя и параметров электрической сети.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

При наличии всего двух основных полюсов ток получится пульсирующим. Увеличение числа полюсов приводит к сглаживанию пульсаций.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

• простота и широкий диапазон регулировки;
• жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

• искрение;
• засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
• появление помех в сети;
• при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Механические характеристики

Электропривод с двигателями со смешанного срабатывания включает в себя две катушки возбуждения: ОВ2 – самостоятельную и ОВ1 – последовательную. Именно из-за этого его механические параметры определяют положение в промежутке между аналогичными параметрами независимых и последовательных силовых агрегатов.

Механические показатели такого двигателя из-за частых изменений в потоках магнитов не демонстрируются аналитически, поэтому, проводя расчеты, в большинстве ситуаций применяют естественные универсальные характеристики: скоростную и механическую.

Если сравнивать комбинированную модификацию с устройствами последовательного срабатывания, то смешанный мотор обладает конечным значением скорости для идеальной работы «вхолостую». Показатель скорости определяется исключительно с помощью магнитного потока, который создается МДС независимых обмоток. Расчет проводится по такой формуле:

=UkФ

Ф – это поток магнитного типа, который генерируется при помощи тока возбуждения от независимой обмотки. 

Соотношения магнитодвижущей силы, от последовательной и независимой обмотки отличаются для устройств разных серий. Чаще всего на практике применяется соотношение, обеспечивающее равенство МДС для двух обмоток возбуждения, при работа на номинальном токе. 

Механическая характеристика n-f(m)

Скорость мотора со смешанными возбуждениями при работе на малых нагрузках меняется существенно, а дальше, когда нагрузка увеличивается, происходит уменьшение, это можно видеть на графике по прямой. Данное явление также соответствует моторам с независимым возбуждением. Объясняется это тем, что при высоких нагрузках имеет место насыщение агрегата, несмотря на то, что МДС последовательных обмоток также растет, поток магнитного поля не подвергается изменениям. 

Чтобы рассчитать реостатные параметры, необходимо использовать метод создания характеристик мотора с возбуждением последовательного действия. 

Двигатель со смешанным типом возбуждения допускает электрическое торможение тремя способами:

• с передачей энергии дальше в сеть;
• противовключение;
• динамическое. 

При осуществлении торможения согласно первому способу, якорный ток (в том числе и тот, который находится в последовательной обмотке) меняет направление движения и может способствовать размагничиванию машины. Для того, чтобы этого избежать, при переходе через угловую скорость, зачастую осуществляют шунтирование последовательной обмотки. Именно этот способ обусловливает то, что механические параметры во второй плоскости представлены в виде прямых. 

Аналогичная же ситуация для динамического торможения наблюдается из-за того, что оно реализуется как правило, при запуске одной независимой катушки, в то время, как магнитный ток постоянный. 

Параметры при торможении противовключением имеют линейность, которые обусловливает зависимость изменяющегося показателя МДС на последовательной катушке возбуждения при постоянно изменяющейся нагрузке. 

График механических характеристик для разных режимов работы

Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Формула общего тока, идущего от источника, выводится согласно первому закону Кирхгофа и имеет вид: I = I_я + I_в, где I_я  — ток якоря, I_в – ток возбуждения, а I – ток, который двигатель потребляет от сети. Следует отметить, что при этом I_в не зависит от I_я, т.е. ток возбуждения не зависит от нагрузки. Величина тока в обмотке возбуждения меньше тока якоря и составляет примерно 2-5% от сетевого тока.

В целом, данные электродвигатели отличаются следующими весьма полезными тяговыми параметрами:

• Высокая экономичность (поскольку ток якоря не проходит через обмотку возбуждения).
• Устойчивость и непрерывность рабочего цикла при колебаниях нагрузки в широких пределах (т.к. величина момента сохраняется даже в случае изменения числа оборотов вала).

При недостаточном моменте пуск осуществляется посредством перехода на смешанный тип возбуждения.

Сферы применения двигателя

Поскольку частота вращения подобных двигателей остается почти постоянной даже при изменении нагрузки, а также может изменяться при помощи регулировочного реостата, они широко применяются в работе с:

• вентиляторами;
• насосами;
• шахтными подъемниками;
• подвесными электрическими дорогами;
• станками (токарными, металлорежущими, ткацкими, печатными, листоправильными и пр.).

Таким образом, этот вид двигателей в основном используется с механизмами, требующими постоянства скорости вращения или ее широкой регулировки.

Регулирование частоты вращения

Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.

Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:

1. Изменение магнитного потока главных полюсов. Осуществляется при помощи регулировочного реостата: при увеличении его сопротивления магнитный поток главных полюсов и ток возбуждения I_в уменьшаются. При этом увеличивается число оборотов якоря на холостом ходу, а также угол наклона механической характеристики. Жесткость механических характеристик сохраняется. Однако увеличение скорости может привести к механическим повреждениям агрегата и к ухудшению коммутации, поэтому не рекомендуется увеличивать частоту вращения этим методом более чем в два раза.
2. Изменение сопротивления цепи якоря. К якорю последовательно подключается регулировочный реостат. Скорость вращения якоря уменьшается при увеличении сопротивления реостата, а наклон механических характеристик увеличивается. Регулировка скорости вышеуказанным способом:

• способствует уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики;
• связана с большой величиной потерь в регулировочном реостате, следовательно, неэкономична.

1. Безреостатное изменение подаваемого на якорь напряжения. В этом случае необходимо наличие отдельного источника питания с регулируемым напряжением, например, генератора или управляемого вентиля.

Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.

Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество – большая экономичность.

Принцип работы

На провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами.

Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. 

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Малоинерционные двигатели

В малоинерционных двигателях значительное бы­стродействие достигается в результате снижения момента инерции якоря путем уменьшения его массы или создания нетрадиционной торцевой конструкции с дисковым якорем. Якорь таких двигателей выполняется в виде диска из гетинакса, на обеих сторонах которого размещена обмотка в виде печатного монтажа. Малоинерционный двигатель серии ПЯ с печатной обмоткой (рис. 2.2) изготовляют в закрытом фланцевом исполнении с естественным охлаждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Рисунок 2.2. малоинерционный торцевойдвигатель постоянного тока

где: 1 — корпус, 2 — статор  с постоянными магнитами, 3,5 — электромагнитные коль­ца, 4 — щеткодержатель, 6 — якорь с пе­чатной обмоткой.

Наличие намагниченного яко­ря исключает изменение магнитного потока, а значит, и колебания вращающего момента и частоты вращения, что особенно важно при работе на малых частотах вращения. Недостатком малоинерционных двигателей в связи с небольшой массой якоря и незначительным «временем их нагрева является не­допустимость длительной работы с моментом нагрузки, превышаю­щим номинальный. Как и двигатели серии 2П, малоинерционные двига­тели соединяются с ходовым вин­том станка промежуточной меха­нической передачей

Как и двигатели серии 2П, малоинерционные двига­тели соединяются с ходовым вин­том станка промежуточной меха­нической передачей.

Кнопочный пост

Данное оборудование предназначается для коммутации, то есть соединения цепей, в которых протекает переменный ток с максимальным напряжением в 660 В и частотой 50 или 60 Гц. Можно эксплуатировать такие устройства и в сетях с постоянным током, но тогда максимальное рабочее напряжение ограничивается 440 В. Возможно применение даже в качестве пульта управления.

Советуем изучить — Эксплуатация комплектных трансформаторных подстанций

Обычный кнопочный пост имеет следующие особенности своей конструкции:

• Каждая из его кнопок лишена фиксации.
• Имеется кнопка «Пуск», которая чаще всего имеет не только зеленый цвет, но и контакты нормально-разведенного типа. Некоторые модели даже обладают подсветкой, которая включается после нажатия. Предназначение — введение в работу какого-либо механизма.
• «Стоп» — это кнопка, обладающая красным цветом (чаще всего). Располагается она на замкнутых контактах, а ее основное предназначение — это отключение какого-либо прибора от источника питания с целью остановки его работы.
• Отличие между некоторыми приборами состоит в материале, который используется для изготовления каркаса. Он может быть сделан из металла или пластмассы. В данном случае корпус играет важную роль, так как имеет определенную степень защиты, зависящую от материала.

Схемы подключения электродвигателя постоянного тока

В зависимости от требуемых выходных характеристик электродвигателя постоянного тока, его подключение может быть осуществлено по одной из принципиальных схем: подключение с независимым, последовательным, параллельным или смешанным типом возбуждения. Схематическое изображение типов подключения электродвигателя постоянного тока представлено на иллюстрации, при этом каждый из типов подключения привносит свои особенности в эксплуатацию механизма.

Подключение с независимым возбуждением

При использовании такой схемы подключения обмотка возбуждения подключается напрямую к независимому источнику. При использовании такой схемы подключения общие характеристики электродвигателя станут идентичны двигателю, работающему на постоянных магнитах. Регулировка скорости вращения осуществляется с помощью сопротивления, возникающего в якорной цепи, или же при помощи реостата – регулировочного сопротивления в цепи обмотки возбуждения

При этом следует отметить, что при регулировке реостатом важно следить за величиной сопротивления в цепи обмотки: при сильном уменьшении этого значения (а также при обрыве) токи якоря резко возрастают, достигая опасных величин. При использовании для подключения схемы независимого возбуждения запрещается запуск электродвигателя на холостом ходу или при дефиците валовой нагрузки: такие действие неминуемо приведут к резкому увеличению скорости вращения и повреждению механизма

Подключение с параллельным возбуждением

При использовании такого типа подключения подключение обмоток ротора и возбуждение происходит параллельно, к единому источнику питания. Таким образом, при включении электродвигателя в сеть на ротор подаётся большее количество тока, чем на обмотку возбуждения, благодаря чему выходные характеристики параллельно подключённого двигателя постоянного тока позволяют использовать их в приводах станков и прочего промышленного оборудования. Скорость вращения регулируется реостатами в цепи ротора.

Подключение с последовательным возбуждением

При использовании такого типа подключения якорная обмотка и обмотка возбуждения используют один ток, а их включение осуществляется попеременно. Скорость и нагрузка в двигателе постоянного тока, подключённом по последовательной схеме, прямо пропорциональны друг другу. Запуск на холостом ходу запрещён. Благодаря хорошим пусковым характеристикам, обеспечиваемым подключением с последовательным возбуждением, двигатели постоянного тока, подключённые по такой схеме, широко применяются в электротранспорте.

Подключение со смешанным возбуждением

Применение схемы смешанного возбуждения при подключении электродвигателя постоянного тока используются две попарно расположенные на полюсах двигателя обмотки возбуждения. Здесь существуют два варианта подключения: потоки будут либо складываться, либо вычитаться. В первом случае особенности работы электродвигателя будут аналогичны подключению по схеме последовательного возбуждения, во втором – параллельного.

Преимущества и недостатки

Из достоинств комбинированных моторов стоит выделить:

• высокие показатели регулировок;
• хороший уровень крутящего момента даже на низких оборотах двигателя;
• точность регулировки, низкая вероятность выхода из-под контроля;
• минимальные потери магнетизма со временем;
• почти линейные и механические параметры регулировки, которые обеспечивают удобство эксплуатации;
• высокий уровень также пускового момента, который способствует быстрому запуску мотора, обладающего таким приводом. Причем, в любых условиях окружающей среды;
• компактность габаритов. Особенно эта особенность касается конструкций устройств с постоянными магнитами;
• возможность применения единого механизма для работы в режиме генератора и двигателя;
• коэффициент полезного действия при работе на максимальных нагрузках, в среднем на 1-3% выше, чем у силовых агрегатов синхронного и асинхронного типа конструкции. Если же нагрузка частичная, тогда показатель может увеличиваться до 15%.

По мере того, как совершенствуется конструкция моторов, расширяется их преимущества также расширяются.  

Есть и недостатки, серди которых стоит выделить основной – это высокая рыночная стоимость по сравнению с другими модификациями. Обслуживание также стоит на порядок выше, ведь предотвращать износ конструктивных деталей нужно чаще. Хотя современные инженерные решения помогают исправлять эти недостатки. 

Электродвигатели постоянного тока

Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры. Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к рабочей обмотке, образуют магнитную систему. Коллектор – это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.

Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.

Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.

Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах.

Принцип работы

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Такой тип двигателя обладает превосходными характеристиками, особенно при совершении управления посредством датчиков положения. Если момент сопротивления варьируется или вовсе неизвестен, а также при необходимости достижения более высокого пускового момента используется управление с датчиком. Если же датчик не используется (как правило, в вентиляторах), управление позволяет обойтись без проводной связи.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем без датчика по положению:

• расположение ротора определяют при помощи дифференциального АЦП (аналого-цифрового преобразователя);
• токовую перегрузку определяют также при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора;
• регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
• рекомендуемыми микроконтроллерами считаются AT90PWM3 и ATmega64;
• поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем с датчиком по положению на примере датчика Холла:

• регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
• выход каждого из датчиков Холла подключают к соответствующей линии ввода-вывода микроконтроллера, настроенной при изменениях состояния на генерацию прерываний;
• поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI;
• токовую перегрузку определяют при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора.

Современное применение и перспективы

Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств

В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность

БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.

Техническая версия происхождения названия

По поводу происхождения этого термина, существует две версии, каждая из которых вполне правдоподобна. Согласно первой, наиболее распространенной, брно – аббревиатура, расшифровывающаяся как «блок расключения (или распределения) начал обмоток». Такая расшифровка выглядит вполне приемлемой, так как термином «брно двигателя», обозначается клеммная коробка, установленная на его корпусе, и в ней действительно соединяются определенным образом (расключаются) выводы концов обмоток электродвигателя.

Возможно, что причиной появления столь странного для русского языка названия, стало чрезмерное увлечение аббревиатурами в 20 30 х годах, когда и происходила «электрификация всей страны». Название «ГОЭЛРО», кстати, тоже аббревиатура – «Государственный план электрификации России».