Коллекторный микродвигатель постоянного тока с возбуждением
От постоянных магнитов
Цель работы: изучение принципа действия и конструкции коллекторного микроэлектродвигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.
Вопросы к домашнему заданию
1. Принцип действия двигателя постоянного тока. Основные формулы.
Два изолированных друг от друга металлических полукольца с поджатыми к ним щетками представляют собой простейшее коллекторное устройство, играющего роль механического коммутатора. Коммутацией в данном случае является переключение концов проводника через каждые пол-оборота, которое влечет преобразование тока от источника постоянной ЭДС в переменный ток.
Сила действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле определяется законом Ампера:
F = B × L × I, (1)
где F – сила, H;
B – магнитная индукция, Тесла;
L – длина проводника, м;
I – сила тока, А.
Электромагнитные силы всех проводников обмотки создают электромагнитный момент двигателя М, вращающий якорь:
M = N × I × B × A × sin wt, (2)
или M = N × I × F × sin wt (3)
где: M – H × м; N – число витков обмотки якоря;
I – ток якоря, А;
B – магнитная индукция, Тл;
A – площадь витка, м2;
w = 2pf – угловая скорость вращения якоря, 1/с.
(Для мощности P = M × w имеем P = N × I × B × A × sinwt × w, Вт).
Если этот момент окажется достаточным для преодоления тормозящего момента на валу якоря, обусловленного рабочим механизмом, то якорь придет во вращение, а в проводниках его обмотки, в соответствии с законом электромагнитной индукции, будет индуцироваться ЭДС E. Направление ЭДС оказывается противоположным направлению тока (по правилу правой руки). Эта ЭДС называется противодействующей силой, или обратной ЭДС:
E = Ce × n × F, (4)
где: n – скорость вращения (число оборотов якоря в мин.), 1/мин.;
F - магнитный поток, Вб;
Се – постоянная двигателя:
, (5)
где: N – число витков,
P – число пар полюсов,
a – число ветвей.
При полной нагрузке двигателя ЭДС якоря составляет 90-95% приложенного напряжения. Связь между приложенным к якорю напряжением U, обратной ЭДС E и падением напряжения на якоре (Iя × Rя) устанавливается применением 2 закона Кирхгофа к цепи якоря: U + (-E) = Iя × Rя + 2DUщ, откуда
U = E + Iя × Rя + 2DUщ » E + Iя × Rя, (6)
где: Rя – суммарное сопротивление цепи якоря,
DUщ – падение напряжения на щетке.
Рисунок 1 - Схема замещения двигателя постоянного тока
Перепишем последнее выражение (6) в виде Iя × Rя » E – U, откуда
, (7)
Из выражения (3) для электромагнитного момента якоря видно, что для изменения направления вращения якоря, необходимо изменить направление тока в обмотке якоря (- I) (или в обмотке возбуждения (- F), если двигатель возбуждается не постоянными магнитами, а обмоткой возбуждения).
Перепишем выражение (7) в виде:
, (8)
Из последней формулы можно сделать вывод, что двигатель постоянного тока автоматически изменяет величину тока, потребляемую от источника в соответствии с изменением механической нагрузки на валу.
Пусть, например, момент сопротивления на валу двигателя увеличивается, тогда скорость двигателя начнет снижаться, это будет сопровождаться уменьшением обратной ЭДС в соответствии с формулой (4) и нарастанием тока якоря в соответствии с формулой (8) и вращающего момента двигателя в соответствии с формулой (3). Возрастет и потребляемая от источника мощность.
2. Особенности коллекторных двигателей постоянного тока. Достоинства и недостатки. Области применения.
Основным достоинством коллекторных двигателей постоянного тока является возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне, линейность механической и, в большинстве случаев, регулировочной характеристики, большой пусковой момент, высокое быстродействие, малая масса и объем на единицу полезной мощности и более высокий КПД по сравнению с двигателями переменного тока той же мощности.
Недостатком коллекторных двигателей постоянного тока является наличие щеточно-коллекторного узла, что ограничивает их долговечность и является источником радиопомех. Вследствие искрения на скользящем контакте эти двигатели не пригодны для эксплуатации во взрывоопасных средах.
По функциональному назначению коллекторные двигатели постоянного тока подразделяются на силовые и управляемые. В свою очередь, силовые электродвигатели выполняются со стабилизацией и без стабилизации частоты вращения.
Основная область их применения – автоматические системы, требующие быстрого пуска и стабильной работы электродвигателя с возможностью регулирования частоты вращения. Именно коллекторные электродвигатели постоянного тока идеально подходят для таких систем автоматики, где особенно важна надежность электродвигателя и не нужна большая мощность.
3. Характеристики двигателей постоянного тока. Механическая характеристика.
Свойства двигателей постоянного тока определяются совокупностью их характеристик: пусковые, рабочие, механические, регулировочные. Важнейшей, из которых, является механическая характеристика.
Механические характеристики двигателей принято подразделять на естественные и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальному напряжению питания и отсутствию добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется искусственной. Уравнения электромеханической ω=f(I я.) и механической ω=f(M эм.) характеристик могут быть найдены из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для якорной цепи двигателя, записанного на основании второго закона Кирхгофа (6).
Механическая характеристика представляет собой прямую линию, т.е. зависимость частоты вращения от момента сопротивления на валу двигателя. Для ее построения достаточно иметь две точки.
Рисунок 2 – Естественная механическая характеристика
Аналитически мех. характеристика выглядит следующим образом
4. Конструктивные исполнения двигателей ДПМ. Схемы включения. Реверсирование.
Микроэлектродвигатели серии ДПМ имеют следующие конструктивные исполнения:
Н1 – с одним выходным концом вала;
Н2 – с двумя выходными концами вала;
Н3 – с одним выходным концом вала и встроенным центробежным контактным стабилизатором скорости вращения.
В каждом конструктивном исполнении есть электродвигатели с различными номинальными данными (напряжением питания, моментом нагрузки и скоростью вращения).
Рисунок 3 - Схема включения микроэлектродвигателей ДПМ исполнений Н1 и Н2
При положительной полярности на красном выводном конце. Направление вращения электродвигателей по часовой стрелке со стороны выходного вала противоположного
Для изменения направления вращения электродвигателя полярность выводных концов необходимо изменить на обратную.
Реверсирование — изменение направления вращения двигателя — производится путем изменения направления действия вращающего момента. Для этого требуется изменить направление магнитного потока двигателя постоянного тока, т. е. переключить обмотку возбуждения или якорь, при этом в якоре будет протекать ток другого направления. При переключении и цепи возбуждения, и якоря направление вращения останется прежним.
5. Основные элементы конструкции двигателя ДПМ.
Рисунок 4 - Конструкция микроэлектродвигателя серии ДПМ
исполнения Н1: 1, 7 – цинковые подшипники; 2, 5 – концевые части; 3 – постоянный магнит; 4 – якорь электродвигателя; 6 – суппорт со щеткодержателями; 7 - подшипниковый щит; 8 - радиальный однорядный шарикоподшипник; 9 - регулировочная шайба; 10 – маслозащитная шайба; 11 – пружинящая защитная лента
6. Маркировка микроэлектродвигателей серии ДПМ.
На корпусах электродвигателей серии ДПМ выгравированы обозначение и заводский номер электродвигателя. Пример расшифровки обозначения электродвигателя ДПМ-20-Н1-01:ДПМ — электродвигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов; 20 — наружный диаметр корпуса, 52 мм, Н1 — исполнение с одним выходным концом вала; 01 — порядковый номер исполнения по номинальным данным. Электродвигатель серии ДПМ с аналогичными номинальными данными исполнения Н2 будет иметь обозначение ДПМ-20-Н2-01. Исключение из этого правила составляют следующие электродвигатели:
а) аналогом электродвигателя ДПМ-30-Н1-01 по номинальным данным является электродвигатель ДПМ-30-Н2-02, а не ДПМ-30-Н2-01;
б) аналогом электродвигателя ДПМ-30-Н1-02 является электродвигатель ДПМ-30-Н2-01.
На корпусах электродвигателей выгравированы обозначение и заводской номер двигателя. Пример расшифровки обозначения электродвигателя ДПМ – 20 – Н1 – 01:
ДПМ – электродвигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов;
20 – наружный диаметр корпуса, мм;
Н1 – исполнение с одним выходным концом вала;
01 – порядковый номер исполнения по данным.
Электродвигатель серии ДПМ с аналогичными номинальными данными исполнения Н2 будет иметь обозначение ДПМ – 20 – Н2 – 01.
Лабораторные задания
Задание первое. Эскиз основных деталей электродвигателя серии ДПМ с необходимыми разрезами и сечениями представлен в приложении А.
Задание второе. Краткое описание электродвигателя серии ДПМ-25-Н2-01.
25 мм – внешний диаметр электродвигателя;
H3 - с одним выходным концом вала и встроенным центробежным контактным стабилизатором скорости вращения;
01 - порядковый номер исполнения по данным.
| ТИП ДВИГАТЕЛЯ | UН, В | P2 НОМ, Вт | n НОМ, об/мин | МНОМ, мН·м | МП, мН·м | IНОМ, А | IП, А | КПД, % | t Р, ч |
| ДПМ-25-Н2-01 | 3,22 | 3,43 | 5,9 | 0,4 | 2,5 |
Конструкция микроэлектродвигателей серии ДПМ исполненияН2 отличается от приведенной на рисунке 4 конструкции исполнения Н1 только наличием второго конца вала со стороны подшипникового щита 7. Второй конец вала по размерам и конструкции полностью аналогичен выходному концу вала со стороны, противоположной коллектору.
Вывод: в ходе лабораторной работе изучили принцип действия и конструкции коллекторного микроэлектродвигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, ознакомились с методами маркировки и классификацией электродвигателей серии ДПМ.