Как работает двигатель постоянного тока? Понимание электродвигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока являются одним из наиболее широко используемых типов электродвигателей, в первую очередь потому, что они просты в использовании и универсальны. От маленьких игрушек до крупных промышленных применений, двигатели постоянного тока играют важную роль в управлении машинами и питании устройств. В этой статье мы рассмотрим, как работают двигатели постоянного тока, какие типы доступны, как они управляются и как выбрать правильный для ваших нужд.

Принципы работы двигателя постоянного тока

Основной принцип работы двигателя постоянного тока прост: он преобразует электрическую энергию в механическое движение посредством взаимодействия магнитного поля и проводника с током. Основные компоненты двигателя постоянного тока включают статор, ротор (якорь), коммутатор и щетки. Вот как это работает:

Взаимодействие магнитного поля: двигатель постоянного тока имеет магнитное поле, созданное либо постоянными магнитами, либо электромагнитами в статоре. Ротор (вращающаяся часть двигателя) помещается в это магнитное поле.

Течение тока: Когда электрический ток протекает через обмотки ротора, он генерирует собственное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора. Согласно закону электромагнетизма, противоположные полюса притягиваются, а одноименные полюса отталкиваются. Это взаимодействие заставляет ротор вращаться.

Коммутатор: Коммутатор является критически важным компонентом в двигателях постоянного тока, который обеспечивает изменение направления тока, протекающего через обмотки ротора, каждые пол-оборота. Это поддерживает вращение ротора в одном направлении.

Щетки: Щетки — это проводящие материалы (обычно углерод), которые поддерживают электрический контакт с коллектором при его вращении. Они обеспечивают необходимый ток для обмоток ротора.

Этот непрерывный процесс создания крутящего момента за счет взаимодействия магнитных полей позволяет двигателю вращаться и выполнять механическую работу.

Типы двигателей постоянного тока

Существует несколько различных типов двигателей постоянного тока, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения. Их можно в целом разделить на двигатели постоянного тока с постоянными магнитами и двигатели постоянного тока с обмоткой. Давайте рассмотрим каждый тип подробно.

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC) являются наиболее распространенным типом двигателей постоянного тока и известны своей простотой и эффективностью. Как следует из названия, эти двигатели используют постоянные магниты в статоре для создания магнитного поля. Существует два основных подтипа двигателей постоянного тока с постоянными магнитами: бесщеточные двигатели постоянного тока и щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ) устраняют необходимость в щетках и коммутаторе, используя электронные контроллеры для переключения тока в обмотках ротора. Эти двигатели используют постоянные магниты в статоре, а датчики определяют положение ротора для регулировки тока. В результате бесщеточные двигатели более эффективны, имеют более длительный срок службы и требуют меньшего обслуживания, чем щеточные двигатели.

Применение: Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно используются в высокоточных приложениях, таких как компьютерные вентиляторы, беспилотники и электромобили. Они идеально подходят для сред, где критически важны сокращение технического обслуживания и высокая эффективность.

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами и щетками

Щеточные двигатели PMDC проще и дешевле бесщеточных двигателей. Они используют постоянные магниты в статоре и коммутатор для изменения направления тока. Щетки обеспечивают физическое соединение между вращающимся коммутатором и внешним источником питания. Эти двигатели надежны и широко используются в недорогих приложениях, хотя они, как правило, требуют большего обслуживания из-за износа щеток.

Применение: Щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами используются в игрушках, бытовой технике и небольших машинах, где требуются экономичные решения для вращательного движения.

Двигатели постоянного тока с обмоткой возбуждения

Двигатели постоянного тока с обмоткой и полем обмотки используют электромагниты (обмотки возбуждения) в статоре вместо постоянных магнитов. Эти двигатели более гибкие, чем двигатели с постоянными магнитами, поскольку напряженность магнитного поля можно контролировать, регулируя ток через обмотки возбуждения. Двигатели постоянного тока с обмоткой и полем обмотки бывают трех основных типов: последовательные двигатели постоянного тока, шунтовые двигатели постоянного тока и составные двигатели постоянного тока.

Серийные двигатели постоянного тока

В последовательных двигателях постоянного тока обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря, что означает, что через обмотку возбуждения и якорь протекает один и тот же ток. В результате скорость двигателя зависит от нагрузки; он будет ускоряться при небольшой нагрузке и замедляться при большой нагрузке. Последовательные двигатели обеспечивают высокий пусковой крутящий момент, что делает их идеальными для таких применений, как электропоезда и краны, где для перемещения груза необходим высокий крутящий момент.

Применение: Двигатели постоянного тока последовательного тока часто используются в устройствах, требующих высокого крутящего момента, например, в лебедках, электрических подъемниках и стартёрах транспортных средств.

Шунтовые двигатели постоянного тока

Шунтовые двигатели постоянного тока имеют обмотки возбуждения, соединенные параллельно (шунт) с обмоткой якоря. Такая конструкция позволяет обмотке возбуждения поддерживать относительно постоянный ток, делая скорость двигателя более стабильной независимо от нагрузки. Шунтовые двигатели постоянного тока известны своей способностью поддерживать постоянную скорость в широком диапазоне нагрузок.

Применение: Параллельные двигатели обычно используются в устройствах, где важен контроль скорости, например, в токарных станках, конвейерных лентах и ​​вентиляторах.

Компаундные двигатели постоянного тока    

Компаундные двигатели постоянного тока сочетают в себе особенности как последовательных, так и шунтовых двигателей. Они имеют два набора обмоток возбуждения: один соединен последовательно, а другой параллельно с якорем. Такое сочетание позволяет компаундным двигателям обеспечивать как высокий пусковой крутящий момент, так и стабильную регулировку скорости при изменяющихся нагрузках. Они универсальны и широко используются в отраслях, где требуется как высокий крутящий момент, так и постоянная скорость.

Применение: Компаундные двигатели обычно используются в таких устройствах, как лифты, прокатные станы и станки.

Управление двигателем постоянного тока

Производительность и функциональность двигателя постоянного тока можно контролировать различными способами. Некоторые из наиболее распространенных типов управления двигателем постоянного тока:

Управление скоростью: Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать, изменяя напряжение или ток, подаваемый на двигатель. В двигателе постоянного тока с постоянными магнитами скорость регулируется путем регулировки напряжения питания. В двигателе с обмоткой возбуждения скорость можно регулировать путем регулировки тока в обмотке возбуждения.

Управление направлением: Направление двигателя постоянного тока можно изменить, изменив полярность напряжения, подаваемого на двигатель. Это часто достигается с помощью переключателя или реле для изменения направления тока.

Управление крутящим моментом: крутящий момент можно регулировать, контролируя ток, протекающий через двигатель. Более высокий ток приводит к более высокому крутящему моменту.

Электронные контроллеры: Продвинутые электронные контроллеры используются для управления функциями двигателя, такими как скорость, направление и крутящий момент. Эти контроллеры используют датчики для обеспечения обратной связи и оптимизации производительности двигателя для определенных задач.

Выбор двигателя постоянного тока

При выборе двигателя постоянного тока для вашего применения учитывайте следующие факторы:

Требования к питанию: Определите, сколько мощности требуется вашей системе. Более крупные двигатели требуются для приложений, требующих высокого крутящего момента или мощности, таких как промышленные машины.

Регулировка скорости: если важна точная регулировка скорости, ищите двигатели с регулируемой скоростью, например, двигатели с параллельным или смешанным возбуждением.

Окружающая среда: Рассмотрите рабочую среду двигателя. Например, двигатели, используемые в суровых условиях, могут нуждаться в дополнительной защите от пыли или влаги.

Эффективность: бесщеточные двигатели постоянного тока, как правило, более эффективны, чем щеточные двигатели, что позволяет снизить потребление энергии и затраты на техническое обслуживание.

Стоимость: Ограничения бюджета повлияют на ваш выбор. Бесщеточные двигатели, как правило, более дорогие, в то время как щеточные двигатели и двигатели с постоянными магнитами могут быть более доступным решением для более простых применений.

Краткое содержание

Двигатели постоянного тока невероятно универсальны и широко используются в различных отраслях промышленности, от робототехники до автомобилестроения и производства. Понимание различных типов двигателей постоянного тока, принципов их работы и факторов, которые следует учитывать при выборе двигателя, поможет вам принять обоснованное решение для вашего приложения. Если вам нужен высокий крутящий момент, эффективное управление скоростью или долговечная производительность, есть двигатель постоянного тока, подходящий для ваших нужд. Принимая во внимание характеристики каждого типа двигателя, вы можете обеспечить оптимальную производительность и эффективность в ваших системах.