Двигатель постоянного тока встречается реже, чем аналоги на переменном напряжении. Обычно ими оснащают бытовые приборы.

Содержание

• 1 Типовая конструкция
• 2 Классификация и дополнительные системы
• 3 Принцип действия, управление вращением, цикл запуска и торможения
  • 3.1 Торможение
  • 3.2 Изменение скорости

Привычные всем электроприборы работают на постоянном напряжении. Для приведения их в действие используются двигатели отдельного типа, адаптированные для работы именно с постоянным током.

Электрическая техника, использующая вид энергии, единицей которой является вольт, прочно вошла в жизнь человека. Использование двигателей постоянного тока для приведения этих приборов в действие позволило расширить перечень настроек и соответственно увеличить функционал электроприводов. Непрерывно развивающиеся схемы производства все больше раскрывают достоинства и технологические преимущества, заложенные в двигателе постоянного тока. При этом конструкция агрегатов усложняется, поэтому для эффективного ремонта необходимо знать, из каких деталей состоит двигатель постоянного напряжения.

Электроцепи, работающие на постоянном типе напряжения, выдвигают ряд критериев выбора движущей установки. Чтобы прибор нормально функционировал, в двигателе должен присутствовать ряд систем, обеспечивающих стабильную и безопасную работу привода. Драйвер постоянного тока реализует все эти нюансы. Современные модели двигателей постоянного тока комплектуются системой настройки скорости, где есть регулировка не только темпа вращения, но и разгонной динамики. Кроме того, механизм способен удерживать стабильную скорость вращения, уберегая компоненты от перегрева и чрезмерного износа, при этом извлекая из силовой установки максимальный КПД.

Типовая конструкция

В каждом электродвигателе используется определенный набор базовых компонентов, определяющий базовые характеристики. Конструкция достаточно мощного двигателя постоянного тока требует предварительного изучения спецификаций, которые дадут понять, как изменить направление вращения, увеличить выдаваемую мощность и ответить на другие вопросы. Назначение той или иной детали дает представление о том, как работает двигатель постоянного тока определенной модели, какой у него эксплуатационный ресурс.

Чтобы понять, как устроен мотор постоянного тока 220 В, какие у него основные элементы, штатные параметры функционирования и возможные недостатки, необязательно проводить цикл разборки. Обычно как мощные двигатели постоянного тока, так и менее производительные агрегаты с уровнем постоянного тока 220 В обладают схожим принципом действия. Об этом свидетельствует список явных преимуществ, который актуален для большинства выпускаемых сегодня разновидностей приводов постоянного тока 220В, применение которых не ограничивается бытовой сферой.

Разобраться в том, как устроен мотор постоянного тока 220 В и где он применяется, можно путем изучения стандартной конструкции. Она включает в себя несколько типовых элементов.

Корпус – базовая деталь, внутри которой находятся основные компоненты. Понять принцип действия двигателя постоянного тока можно уже на этапе осмотра корпуса, на котором закреплены некоторые внешние компоненты, которые применяются для контакта с цепями. Наиболее распространенным материалом корпуса, в который заключен простейший двигатель, является чугун. Этот металл позволяет эксплуатировать привод постоянного тока 220 В при любых условиях, интегрируя его в электроцепи, подверженные постоянному воздействию агрессивной окружающей среды.

Кроме того, стандартные рабочие характеристики конкретной модели двигателя постоянного тока подразумевают стабильную повышенную нагрузку на трущиеся детали, большая часть которой приходится на корпус. Поэтому расчет двигателя постоянного тока производится с учетом выносливости чугунных корпусов, которые обладают достаточной износостойкостью. Иногда схема двигателя для электроцепи включает размещенные на корпусе ребра охлаждения, через которые осуществляется отвод выделяемой достаточно мощным двигателем постоянного тока тепловой энергии.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока подразумевает выведение полюсов в отдельную коробку, где смонтированы два ряда клемм для подключения щеток якоря и с уже подключенными концами обмоток индуктора. Схема электродвигателя постоянного тока с клеммной коробкой также включает несколько отверстий для сальников. Через них подводятся силовые кабели, посредством которых подается питание.

Согласно общему принципу работы двигателя постоянного тока малой мощности, размещение выводов обмоток происходит в клеммной коробке. При этом зажимы якоря и добавочных полюсов разделены на пары: одна пара наглухо соединена внутри электрического двигателя, а вторая – в клеммной коробке. Принцип работы и устройство электропривода постоянного тока больших габаритов и с повышенным номинальным напряжением не подразумевают наличия клеммной коробки. Вместо этого выводной массив располагается в нижней части станины. При этом выводы последовательных цепей собираются в шины, а параллельных – делятся на жилы кабелей с наконечниками.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока основан на вращении основного компонента — вала, в результате которого генерируется необходимое напряжение, приводящее в движение всю систему. Особенности такой конструкции позволяют при необходимости изменить направление вращения двигателя постоянного напряжения или перевести агрегат в другой режим эксплуатации благодаря настроечным системам.

Якорь – комплексная деталь, наличие либо отсутствие определенных компонентов которой определяет устройство и принцип действия всего двигателя. Главной деталью якоря является сердечник, который имеет вид набора пластин, изготовленных с использованием электротехнической стали. Доступные для конкретного электрического двигателя типы запуска определяет обмотка возбуждения. Именно характеристики данной детали дают понять, какие способы возбуждения необходимо использовать, чтобы привести в действие тот или иной электрический двигатель постоянного тока. Помимо обмотки возбуждения, устройство двигателя постоянного тока включает в себя якорную обмотку и обмотку добавочного полюса, которая набрана из специальных проводов, покрытых эмалью. Классическая схема двигателя подразумевает также наличие коллектора.

Устройство электродвигателя постоянного тока, который применяется для запуска систем среднего уровня потребления, должно включать в себя щеточный узел. Этот компонент собран из держателей и щеток, которые закреплены на специальном кронштейне. Основная характеристика двигателя постоянного напряжения зависит от материала щеток – чистый графит либо металлографитовый сплав. При помощи щеток реализуется главный принцип работы электродвигателя постоянного тока. Через них агрегат получает питание, которое поступает непосредственно на катушки вращающегося ротора. Также с их помощью выполняется переключение тока в обмотках.

Полюсная электромеханическая характеристика требует наличия двух полюсных массивов — главного и монолитного добавочного. Главный полюс также собирается из электротехнических стальных элементов. Добавочные полюсы расположены между главными и повышают степень взаимодействия, тем самым увеличивая технические характеристики двигателя. Устройство двигателя постоянного тока малых размеров позволяет применение главного полюса из постоянных магнитов и отсутствие добавочных полюсов.

Устройство и принцип работы электрического двигателя могут отличаться в зависимости от наличия некоторых второстепенных деталей:

• усилители подшипниковых блоков – передние и задние щиты, внутренние и наружные крышки;
• вентиляторы охлаждения. Иногда ребра на корпусе не справляются с тепловой нагрузкой. Это необходимо компенсировать, для чего двигатели оснащаются дополнительными агрегатами;
• монтажные лапы. Понять, что такое лапа, можно путем изучения методик снижения уровня вибрации при повышенных нагрузках;
• рым-болты и проушины. Включение этих деталей в схему двигателя – это простой способ упростить монтаж агрегата и связанные с этим погрузочно-разгрузочные работы;
• предельные рабочие характеристики двигателя с постоянным типом энергии обозначаются на специальном шильдике. Иногда можно встретить обозначение «эл»;
• защитные кожухи вентиляторов и воздуховодов.

Конструкция агрегата может отличаться, однако принцип действия электродвигателя постоянного тока остается неизменным. Это, а также ряд особенностей функционирования частично определяет способ их различия.

Классификация и дополнительные системы

Каждый электромотор, выдающий постоянное напряжение, относится к тому или иному типу систем возбуждения, которые бывают нескольки типов. Методики параллельного возбуждения здесь не рассматриваются, так как ток возбуждения не зависит от аналогичного показателя в якоре даже в случае подключения обмотки возбуждения и якорной цепи к одной сети. При этом сеть энергоснабжения теоретически может иметь неограниченную мощность и постоянное напряжение.

Возбуждением называется процесс создания магнитного поля, которое запускает процесс генерации энергии, приводящей в движение вал мотора. Технические показатели электродвигателей и схема их запуска в большей степени определяются установленным в них типом возбуждения:

• независимое возбуждение подразумевает наличие выделенного источника питания, который подает энергию на обмотку возбуждения;
• последовательное возбуждение предполагает включение обмотки возбуждения последовательно с обмоткой якоря;
• смешанное возбуждение означает наличие двух типов обмоток возбуждения – последовательной и параллельной;
• при параллельном возбуждении обмотка возбуждения запускается параллельно энергоснабжению якоря.

Маломощные электромоторы часто могут оснащаться системой магнитоэлектрического возбуждения, в которых используются постоянные магнитные элементы. Это позволяет сделать схему запуска двигателя более простой благодаря снижению расхода медных деталей. Однако исключение из конструкции обмотки возбуждения не влияет на конечную массу и габаритные размеры двигательной установки.

Увеличение габаритов мотора позволяет расширить диапазоны крутящего момента, скорости вала и выдаваемой агрегатом мощности. Это отчасти задает стандарты проектирования маломощных двигательных установок, которые рассчитаны на частоту вращения от 1000 до 6000 об/мин.

При этом стоит помнить, что двигатель вращается намного быстрее, чем приводимые в действие детали потребителя. Разница в скорости вращения компенсируется специальным редуктором, который иногда приходится проектировать и изготавливать на заказ, так как коэффициент передачи может отличаться от стандартных моделей. Кроме того, высокомощные двигатели обычно комплектуются дорогостоящим редуктором, поэтому проектировка мотора закладывает более низкую скорость вращения.

Специалисты всегда обращают внимание на погрешность, характерную для всех механических редукторных систем. Из-за этого спецификации прецизионных установок требуют использования только тихоходных моторов, низкая скорость вращения которых допускает прямое соединение с остальной системой либо применение простой передачи. Это привело к появлению высокомоментных двигателей, которые выдают повышенный КПД, сохраняя при этом малую скорость вращения. Их сразу стали устанавливать на металлорежущие станки, где имеется прямой привод в виде шарико-винтовой передачи.

Еще одно значительное отличие – конструкционные признаки, определяющие допустимые условия эксплуатации. Целая категория электродвигателей адаптирована к обычной окружающей среде и называется открытыми. Их привод охлаждается естественным притоком воздуха в помещении, где проведен его монтаж. Нагнетание воздушного потока происходит при помощи вентилятора, который закреплен на валу.

Если среда, где планируется установка электродвигателя, отличается агрессивностью, рекомендуется использовать закрытый двигатель, который выбрасывает тепловую энергию через ребра охлаждения, разбросанные по корпусу. Иногда такие системы дополняются внешними нагнетателями, осуществляющими обдув двигателя во время его работы. В эту же категорию можно отнести электромоторы с повышенной степенью защиты для работы во взрывоопасной среде.

Иногда к двигателю предъявляются повышенные требования производительности. В таких случаях конструкция меняется в соответствии с запросами или спецификациями приборов-потребителей мощности. Это может быть ускоренный процесс разгона до номинальных оборотов или усиленные тормоза для быстрой остановки вала. Для реализации этих особенностей мотор проектируется с более длинным якорем уменьшенного диаметра.

Чтобы снизить индуктивность обмотки, ее устанавливают не просто в пазы, а непосредственно на поверхности якоря, фиксируя специализированными клейкими веществами. Одним из таких составов является эпоксидная смола. Сниженная индуктивность обмотки приводит к улучшению коммутации коллектора. Это позволяет упростить конструкцию двигателя путем демонтажа дополнительных полюсов и установки менее габаритного коллектора, который в свою очередь снизит инерционный момент якоря.

При необходимости можно снизить уровень создаваемой инерции путем установки полого якоря. В данном случае этот компонент будет выполнен в виде пустого металлического цилиндра, в составе которого будет изоляционный материал. Поверхность якоря будет покрыта обмоткой на клеевой основе. Обмотки для полых якорей изготавливаются тремя способами – штамповкой, печатью либо на станке согласно определенной схеме.

Полый цилиндрический якорь содержит внутри стальную сердцевину, через которую проходят магнитные потоки. Если в двигателе установлен полый якорь, увеличиваются зазоры в магнитных цепях из-за наличия дополнительной изоляции и расширения слоя обмотки. Поэтому приходится повышать силу намагничивания для того, чтобы проходящий через сердечник магнитный поток имел достаточную интенсивность. Чтобы облегчить задачу системе намагничивания, ее проектируют под повышенные нагрузки, расширяя магнитную инфраструктуру двигателя.

Существует категория электромоторов с изначально низким моментом инерции. Прежде всего, это модели, оснащенные дисковым якорем. Такой якорь представляет собой диск, оклеенный обмоткой из тонких изоляционных материалов, которые не подвержены процессу коробления. К таким материалам относится стекло.

Магнитная система в дисковых двигателях конструируется двухполюсной и выполнена в виде двух скоб, одна из которых оснащена возбуждающей обмоткой. Так как малоинерционные двигатели обладают малой индуктивностью, в них не устанавливаются коллекторы, а напряжение снимается прямо с обмотки через щетки.

Также бывают линейные двигатели, особенностью которых является создание не крутящего, а поступательного момента. Эти моторы имеют схожую конструкцию с обычными малоинерционными приводами, оборудованными дисковыми якорями. Различие заключается в схеме распределения магнитных полей: здесь магнитная система имеет обратную полярность, а полюсы установлены по всей линии движения якоря и движущегося органа потребителя. Эти двигатели достаточно дорогие и сложные в производстве из-за большого числа полюсов, которое необходимо для генерации поступательного движения достаточной интенсивности.

Принцип действия, управление вращением, цикл запуска и торможения

Функционирование электродвигателя, генерирующего постоянный ток, основывается на технологии электромагнитной индукции. Правило левой руки, относящееся к области электротехники, говорит о том, что подключенный к энергосистеме проводник, находящийся в магнитном поле, находится под действием определенной силы. Когда проводник пересекает силовые магнитные линии, в нем генерируется электродвижущая сила, которая имеет направление, противоположное движению тока в проводнике. Из-за этого явления данная энергия называется противодействующей либо обратной. Двигатель нужен для того, чтобы конвертировать эту энергию в механическое движение – крутящий момент, который передается системе-потребителю напрямую либо через редуктор. При этом часть энергии выбрасывается в атмосферу в виде тепловой энергии, из-за чего проводник нагревается и требует охлаждения.

Неподвижное магнитное поле, необходимое для создания движущей энергии, генерируется с помощью индуктора. Этот узел состоит из станины и двух полюсных массивов, один из который является главным, а второй – добавочным. При помощи станины формируется основа для размещения полюсов; кроме того, она играет роль одного из элементов общей магнитной цепи электродвигателя. Главный полюс включает в себя обмотку возбуждения, которая генерирует магнитное поле, а добавочные полюсы имеют обмотку специальной конфигурации, которая призвана усилить коммутацию и стабилизировать процесс индукции.

Торможение

Чтобы остановить вращение электродвигателя, необходим запуск системы торможения. В настоящее время применяется торможение противовключением, динамическое либо рекуперативное. Первый тип торможения реализуется изменением полярности энергии в обмотке якоря, в результате чего создается реверс в момент контакта якоря с магнитным полем. Чем ниже скорость вращения вала электродвигателя, тем ниже будет интенсивность реверсивного момента. Когда движение вала прекратится, необходимо его обесточить, иначе развернутая полярность якоря начнет разгон в обратном направлении.

Динамическая система торможения действует иначе. Остановка вращения выполняется при помощи замыкания якорной обмотки через резистор либо напрямую. Это приводит к тому, что электродвигатель начинает преобразовывать механическую энергию инерции в электричество, которое отводится путем нагрева замкнувшего обмотку элемента. Динамическое торможение обеспечивает полную остановку вращения без необходимости отключения двигателя от системы энергоснабжения.

Рекуперативная система торможения позволяет эффективно остановить включенный в сеть питания электродвигатель, который приводится в движение инерцией потребителя со скоростью выше идеального холостого хода. В этом случае сила движения в обмотке превышает напряжение сети, а ее направление меняется в обратную сторону. Двигатель начинает генерацию электричества одновременно с созданием момента торможения на валу.

Считается, что рекуперативное торможение наиболее производительное и экономичное, так как позволяет мотору генерировать определенный объем энергии. Иногда рекуперация возникает в приводном комплексе подъемника во время опускания груза.

Изменение скорости

Ускорить либо замедлить вращение электродвигателя можно тремя способами. В зависимости от параметров агрегата и его конструкции действует одна из систем: изменение потока возбуждения, меняется подаваемое напряжение или величина сопротивления якорной цепи. Самыми распространенными являются узлы настройки потоков возбуждения и регуляторы напряжения. Системы изменения сопротивления показали себя как неэкономичные. Кроме того, при их использовании приходится обращать особое внимание на колебания нагрузки.

Чтобы реализовать систему изменения напряжения, потребуется оснастить электродвигатель внешним источником постоянного тока. Это может быть достаточно мощный генератор либо преобразователь другого вида энергии. Такой тип настройки скорости применяется практически во всех связках двигателей постоянного тока с тиристорными преобразователями, магнитными и электромашинными усилителями и другими агрегатами.

Что касается механизмов изменения возбуждающего тока, здесь реализация происходит за счет внедрения в конструкцию специального реостата. Иногда вместо него используют другие устройства, позволяющие изменять величину тока за счет регулировки собственного сопротивления, например, транзисторы. Чтобы увеличить частоту вращения вала электродвигателя, необходимо увеличить показатель сопротивления, что приведет к снижению тока возбуждения.

Стоит помнить, что это приведет к усилению искрения под щетками и снижению устойчивости, особенно если нагрузка на вал нестабильная. Ослабление магнитных потоков происходит увеличение механических характеристик свыше номинальных (в случае отсутствия реостата). Производители двигателей постоянного тока не рекомендуют повышать скорость вращения более чем на 30% от показателя, соответствующего штатному уровню нагрузки.

Электродвигатель постоянного тока — устройство, принцип работы, управление двигателем и его пуск

Двигатель постоянного тока способствует превращению энергии постоянного тока в работу механического типа.

На сегодняшний день практичное управление двигателем постоянного тока осуществляется не только в соответствии с традиционными схемами, но также согласно достаточно оригинальным или малоизвестным схемотехническим решениям.

Схема управления двигателем постоянного тока

Самым простым способом регулировки скорости двигательного вращения является применение модуляции (РWМ) широтно-импульсного типа, или ШИМ.
Данный способ базируется на подаче питающего напряжения на движок в форме импульсов со стабильной частотой следования, но изменением длительности.

Вся ШИМ-сигнальная система имеет очень важный критерий, представленный коэффициентом стандартного заполнения (Duty сyсlе).

Такая величина соответствуют соотношению импульсной длительности к его периоду:

D = (t/Т) × 100 %

Для самой простой схемы реализации управления ДПТ характерно наличие полевой транзисторной части с подачей на затвор ШИМ-сигнальной системы. В подобной схеме транзистор представляет особый электронный ключ, которым один из двигательных выводов коммутируется на землю. В этом случае открытие полупроводникового триода осуществляется именно на момент импульсной длительности.

Конструкция двигателя постоянного тока

При низкой частоте и в условиях незначительного коэффициента ШИМ-сигнала преобразующее устройство срабатывает рывками. Высокая частота РWМ, составляющая несколько сотен Герц, способствует непрерывному вращению мотора, а скорость вращательного движения в этом случае изменяется строго пропорционально коэффициенту заполняемости.

Известно множество схематичных решений, генерирующих ШИМ-сигнал, но к числу наиболее простых относится «схема таймера 555», нуждающаяся в минимальном количестве компонентов и не требующая особой настройки.

Управление двигателем при помощи биполярного транзистора

Использование биполярного транзистора в качестве надежного переключателя — один из способов управления двигателем. Выбор пассивного элемента электрической цепи, или R, предполагает протекание тока, не превышающего показатели максимальных токовых величин в микроконтроллере.

Полупроводниковый триод должен иметь соответствующий коллекторный ток и оптимальные максимальные значения, а также выделяемую мощность:

P = Uкэ × Iк .

Одной из проблем, возникающих в процессе использования биполярных полупроводниковых триодов, является избыточный базовый ток.

Схема управления

Как правило, токовое соотношение на выходном сигнале и входном транзисторе составляет 100 hfe. Функционирование элемента в условиях насыщения вызывает сильное снижение коэффициента.

Оптимальным вариантом является транзисторное комбинирование, или высокоэффективный транзистор Дарлингтона, который характеризуется высокими показателями токового усиления и незначительной скоростью работы.

Система arduino

Часто для управления бесколлекторными двигателями используется аппаратная вычислительная платформа arduino. В основе находится плата и среда разработки на языке Wiring.

В Плату arduino входит микроконтроллер Atmel AVR и элементная обвязка программирования и взаимодействия со схемами. На плате имеется стабилизатор напряжения. Плата Serial Arduino представляет собой несложную инвертирующую схему для конвертирования сигналов с одного уровня на другой. Программы устанавливаются через USB. В некоторых моделях, например, Arduino Mini, необходима дополнительная плата для программирования.

Язык программирования Arduino используется стандартный Processing. Некоторые модели arduino позволяют управлять несколькими серверами одновременно. Программы обрабатывает процессор, а компилирует AVR.

Проблемы с контроллером могут возникать из-за провалов напряжения и чрезмерной нагрузке.

Индуктивные нагрузки

При выборе индуктивной нагрузки, представленной двигателем, решение проблемы режима плавного управления мощностными показателями мотора не всегда дается легко, что зависит от нескольких факторов, представленных:

• мощностными показателями движка;
• инерционностью нагрузочного уровня вала;
• реактивными обмоточными показателями;
• активными обмоточными показателями.

Управление двигателями постоянного тока

Оптимальным вариантом для решения практически всех перечисленных выше проблем является использование частотных инверторов.

Индуктивный тип схемы для управления двигателем ПТ не отличается особой сложностью по сравнению с частотным управлением, а также способен обеспечивать вполне приемлемую результативность.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками

Рисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Аспекты проблем при управлении двигателем ПТ

Качественное управление нагрузкой не требует в некоторых случаях потенциометра, а может быть задействовано на использовании микроконтроллера.

Наиболее важные проблемы управления представлены:

• обязательным присутствием гальванической развязки;
• плавным управлением мощностными показателями;
• отсутствием старт-стопного типа управления;
• контролированием перехода Zеrо — Сrоss;
• некоторыми особенностями подбора RC-фильтра snubbеr сглаживающего типа.

Важно помнить, что данная схемотехника отличается незначительной сложностью, при которой инициализация микроконтроллера требует достаточного количества времени, что обусловлено конкретно решаемыми задачами при нахождении выходных сигналов в третьем состоянии.

Управление при помощи MOSFET транзистора

МОSFЕТ (mеtаl-охidе-sеmiсоnduсtоr fiеld еffесt trаnsistоr) — полевые полупроводниковые триоды или метал-окисел-полупроводники p-канального типа открываются на затворе отрицательным напряжением по отношению к источнику. Диод паразитного типа в канальной структуре анода подсоединяется к части стока, а катод соединяется с истоком.

Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме

Такой тип канала, как правило, подсоединяется таким образом, чтобы на сток приходились наиболее отрицательные показатели напряжения по сравнению с истоком.

MOSFET-транзисторы высокой степени мощности достаточно популярны, что обусловлено исключительно высокой переключательной скоростью в условиях низкого уровня мощности управления, прикладываемой к затвору.

Управление при помощи реле

Процесс управления достаточно мощным двигателем ПТ осуществляется посредством реле-модуля спаренного типа. Процесс подключения мотора к реле предполагает обязательный учет наличия трех выходных отверстий:

• NО (Nоrmаlly ореn) — нормально-разомкнутого типа;
• СОМ (Соmmоn) — общего типа;
• NС (Nоrmаlly сlоsеd) — нормально-замкнутого типа.

Управление направлением вращения двигателя постоянного тока

Контактная группа устройства, преобразующего любой вид энергии в работу механического типа, подсоединяется к общим релейным контактам (СОМ). «Плюс» элемента питания подключается к контактам нормально-разомкнутого реле (NО), а «минус» фиксируется на контактной группе реле нормально-замкнутого типа (NС).

Реализация полного мостоуправления двигателя осуществляется при включении и выключении реле соответствующим образом.

При помощи H-моста

Управление двигателем посредством H-моста с управляющими логическими сигналами на входах и вращением в две стороны осуществляется несколькими вариантами Н-мостов:

• транзисторным H-мостом, простым в изготовлении и достаточно мощным. К недостаткам можно отнести риск короткого замыкания при подаче на два входа;
• двойным H-мостом, собранным на маломощной микросхеме. Минусы данного варианта представлены слишком малой мощностью и необходимостью подключения вывода Е на питании к «плюсу»;
• одиночным Н-мостом, собранным на микросхеме, что обеспечивает подачу единички на два входа и может стать причиной торможения работы двигателя.

Транзисторный Н-мост

Самым простым вариантом станет сборка Н-моста на МОSFЕT-транзисторах. Именно этот способ сочетает в себе легкость выполнения и достаточные показатели мощности, но не предполагает одновременную подачу на две единицы.

Известно множество вариантов микросхем, используемых для управления двигателем, включая ТLЕ4205 и L298D, а также стандартные электромагнитные реле, но перечисленные выше способы относятся к категории самых доступных.

Принцип работы H-моста

Перед тем, как переходить непосредственно к управлению двигателем, обсудим что такое H-BRIDGE (H-мост). Собранная нами далее схема будет осуществлять две функции: управлять двигателем постоянного тока с помощью управляющих сигналов малой мощности и изменять направление вращения двигателя.

Нам известно, что для изменения направления вращения двигателя постоянного тока необходимо изменить полярность приложенного к нему питающего напряжения. И как раз для смены полярности напряжения хорошо подходит устройство, называемое H-мостом. На представленном выше рисунке мы имеем 4 выключателя. Как показано на рисунке 2 если выключатели A1 и A2 замкнуты, то ток через двигатель течет справа налево как показано на второй части рисунка 2 – то есть в этом случае двигатель будет вращаться по часовой стрелке. А если выключатели A1 и A2 разомкнуты, а B1 и B2 – замкнуты, то ток через двигатель в этом случае будет протекать слева направо как показано на второй части рисунка, то есть двигатель будет вращаться против часовой стрелки. В этом и заключается принцип работы H-моста.

Рисунок 2 (часть 1)

Рисунок 2 (часть 2)

Мы в качестве H-моста будем использовать специализированную микросхему L293D, которую еще называют драйвером двигателей. Эта микросхема предназначена для управления двигателями постоянного тока малой мощности (см. рисунок) и содержит в своем составе два H-моста, то есть с ее помощью можно управлять двумя двигателями. Эта микросхема часто используется для управления двигателями в различных роботах.

В следующей таблице указаны необходимые значения напряжений на выводах INPUT1 и INPUT2 микросхемы L293D для смены направления вращения двигателя.

То есть, чтобы двигатель вращался по часовой стрелке необходимо чтобы на 2A было напряжение высокого уровня (high), а на контакте 1A – напряжение низкого уровня (low). Аналогично для вращения двигателя против часовой стрелки необходимо обеспечить на 1A напряжение высокого уровня, а на 2A – низкого.

Как показано на следующем рисунке Arduino UNO имеет 6 ШИМ каналов (обозначенных на плате специальным знаком – тильдой), любой из которых мы можем использовать для получения изменяющего напряжения (на основе ШИМ). В данном проекте мы будем использовать в качестве ШИМ выхода контакт PIN3 Arduino UNO.

Управление шаговым двигателем

Для управления двигателем шагового типа необходима подача постоянного напряжения на обмоточную часть с соблюдением максимально точной последовательности, благодаря чему обеспечивается точность угла осевого поворота.

При наличии постоянных магнитов

Шаговые двигатели, имеющие постоянные магниты, чаще всего применяются в бытовых приборах, но могут встречаться в устройствах промышленного типа. Доступные по стоимости двигатели обладают низким крутящим моментом и низкой скоростью вращения, благодаря чему прекрасно подходят для компьютеров.

Управление шаговым двигателем

Изготовление двигателей шагового типа на основе постоянных магнитов не отличается сложностью и экономически целесообразно только при больших объемах производства, а ограниченность использования обусловлена относительной инертностью и неприемлемостью применения в условиях точного временного позиционирования.

При наличии переменного магнитного сопротивления

Шагового типа двигатели, имеющие переменное магнитное сопротивление в условиях отсутствия стабильного магнита, характеризуются свободным роторным вращением без крутящего вращения остаточного типа. Такие двигатели, как правило, устанавливаются в компактных агрегатах, включая системы микро-позиционирования. Основные достоинства такой схемы представлены чувствительностью к токовой полярности.

Гибридный вариант

Гибридного типа двигатели в настоящее время относятся к категории наиболее популярных агрегатов в сфере промышленности.
Вариант характеризуется очень удачным сочетанием принципа работы моторов с переменными и постоянными магнитами.

Значительное количество двигателей гибридного типа отличается классическим двухфазным строением.

Как работает двигатель постоянного тока?

Теоретически одна и та же машина постоянного тока может использоваться как двигатель или генератор. Поэтому конструкция двигателя постоянного тока такая же, как у генератора постоянного тока.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Электродвигатель представляет собой электрическую машину, преобразующую электрическую энергию в механическую. Основной принцип работы двигателя постоянного тока : « всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует механическая сила». Направление этой силы определяется правилом левой руки Флеминга, а ее величина определяется формулой F = BIL. Где B = плотность магнитного потока, I = ток и L = длина проводника в магнитном поле.

Правило левой руки Флеминга : Если мы растянем указательный, указательный и большой пальцы левой руки так, чтобы они были перпендикулярны друг другу, а направление магнитного поля представлено указательным пальцем, направление тока будет представлено вторым пальцем, тогда большой палец представляет направление силы, действующей на проводник с током.

Анимация выше помогает понять принцип работы двигателя постоянного тока . Когда обмотки якоря подключены к источнику постоянного тока, в обмотке возникает электрический ток. Магнитное поле может создаваться обмоткой возбуждения (электромагнетизм) или постоянными магнитами. В этом случае на токонесущие проводники якоря действует сила магнитного поля по принципу, изложенному выше.

Коллектор выполнен сегментным для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы каждый раз, когда направление движения проводника меняется на противоположное в магнитном поле. Вот как работает двигатель постоянного тока !

Обратная ЭДС

Согласно фундаментальным законам природы, никакое преобразование энергии невозможно, пока этому преобразованию не будет противодействовать. В случае генераторов это противодействие обеспечивается магнитным сопротивлением, а в случае двигателей постоянного тока обратная ЭДС .

Когда якорь двигателя вращается, проводники также пересекают линии магнитного потока и, следовательно, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея в проводниках якоря индуцируется ЭДС. Направление этой ЭДС индукции таково, что она противодействует току якоря (I _a ). Принципиальная схема ниже иллюстрирует направление противо-ЭДС и тока якоря . Величина обратной ЭДС может быть задана уравнением ЭДС генератора постоянного тока.

Значение противо-ЭДС:

Величина противо-ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя. Предположим, что нагрузка на двигатель постоянного тока внезапно уменьшилась. В этом случае требуемый крутящий момент будет мал по сравнению с текущим крутящим моментом. Скорость двигателя начнет увеличиваться из-за избыточного крутящего момента. Следовательно, будучи пропорциональна скорости, величина обратной ЭДС также будет увеличиваться. С увеличением противоЭДС ток якоря начнет уменьшаться. Крутящий момент пропорционален току якоря, он также будет уменьшаться, пока не станет достаточным для нагрузки. Таким образом, скорость мотора будет регулироваться.

С другой стороны, если двигатель постоянного тока внезапно нагружается, нагрузка вызывает снижение скорости. Из-за уменьшения скорости обратная ЭДС также уменьшится, что приведет к большему току якоря. Увеличенный ток якоря увеличит крутящий момент, чтобы удовлетворить требования нагрузки. Следовательно, наличие противо-ЭДС делает двигатель постоянного тока «саморегулирующимся» .

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока обычно классифицируются на основе их конфигурации возбуждения следующим образом —

• Отдельное возбуждение (обмотка возбуждения питается от внешнего источника)
• Самовозбуждение —
• Последовательная обмотка (обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем)
• Шунтовая обмотка (обмотка возбуждения подключена параллельно якорю)
• Составная рана —
• Длинный шунт
• Короткий шунт

Таблицу классификации машин постоянного тока см. здесь.

Как работает двигатель постоянного тока?

Электродвигатели постоянного тока сочетают в себе уникальные характеристики производительности и простоту управления, что делает их труднопревзойденными для приложений с регулируемой скоростью. В то время как двигатели переменного тока и средства управления в последнее время развились до такой степени, что стали конкурировать со многими их сильными сторонами, электродвигатели постоянного тока по-прежнему преобладают во многих отраслях, особенно когда требуется компактный, эффективный и быстродействующий двигатель.

Эта статья представляет собой руководство по основам электродвигателей постоянного тока, содержащее информацию, необходимую для самостоятельного принятия решения о том, подходят ли они для вашего применения.

Принципы работы двигателя постоянного тока

Основной принцип работы электродвигателей заключается в том, что провод, по которому течет электрический ток, испытывает физическую силу при прохождении через магнитное поле. Это магнитное поле обычно создается в неподвижной части двигателя (статоре). Он оказывает усилие на проволочные обмотки, прикрепленные к вращающейся части двигателя (якорю), которая прикреплена к выходному валу.

При переключении направления магнитной силы в зависимости от положения ротора якорь ротора попеременно тянется в одном направлении, а затем толкается в противоположном направлении, создавая непрерывное вращательное движение. Этот процесс называется коммутацией.

Критическое различие между двигателями постоянного и переменного тока заключается в том, что для работы двигателя постоянного тока требуется особое коллекторное устройство. Напротив, двигатель переменного тока использует переменный ток входной мощности для управления эффектом переключения.

В щеточном двигателе постоянного тока коллектор имеет проводящую щетку, которая прижимается к ротору и контактирует с различными частями якоря в зависимости от положения ротора, эффективно используя ротор в качестве переключателя для изменения направления электромагнитного поля. Вместо этого в бесщеточном двигателе постоянного тока используется электронный датчик, обычно датчик Холла, для определения положения ротора и управления коммутацией, что устраняет необходимость в электрическом контакте с ротором.

Типы двигателей постоянного тока

Хотя существует множество вариантов двигателей постоянного тока, есть две основные категории, каждая из которых имеет несколько различных типов двигателей.

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами — это двигатели, в которых используются магниты либо в якоре, либо в статоре. Эти двигатели могут быть бесщеточными или щеточными.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Если на роторе установлены постоянные магниты, для создания магнитного поля не требуется пропускать электричество через щетки, и такая конфигурация известна как бесщеточный двигатель. Благодаря отсутствию трения и износа щеток бесщеточные двигатели постоянного тока обеспечивают исключительный срок службы, производительность, тихую работу и эффективность (около 90%), что делает их идеальными для приложений, чувствительных к шуму и энергии, таких как HVAC, робототехника и устройства с батарейным питанием. Бесщеточный двигатель постоянного тока определенного типа, известный как шаговый двигатель, может вращаться ступенчато и применять удерживающий крутящий момент, что делает его полезным для робототехники и сервоуправления.

Использование постоянных магнитов ограничивает применение бесщеточных двигателей постоянного тока относительно небольшими приложениями. Поскольку для коммутации им требуется электронный датчик, они значительно дороже, чем коллекторные двигатели сопоставимого размера, но экономия энергии может быстро окупить эту разницу.

Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами

Когда в статоре используются постоянные магниты, электричество должно достигать обмотки ротора, чтобы привести его в действие, и для этого предназначены щетки. Поскольку точки контакта щеток на роторе построены так, что они попеременно переключают направление магнитного поля ротора, нет необходимости в электронной коммутации. Это снижает стоимость щеточных двигателей постоянного тока, но щетки снижают эффективность примерно до 75%. Износ щеток также создает необходимость их периодической замены и снижает надежность двигателя.

Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами используются в небольших недорогих устройствах, таких как бытовая электроника и бытовая техника.

Двигатели постоянного тока с обмоткой возбуждения

Двигатели постоянного тока с обмоткой возбуждения используют электромагниты как на якоре ротора, так и на обмотках возбуждения статора, без каких-либо постоянных магнитов, что делает их рентабельными для крупных промышленных применений. В этих двигателях используются коммутационные щетки, требующие периодической замены. Существует три основных типа двигателей с обмоткой возбуждения.

Двигатели постоянного тока серии

Двигатели с последовательным возбуждением имеют обмотки якоря и статора, соединенные последовательно, что означает, что полный ток проходит на якорь. Это обеспечивает гораздо большую скорость и крутящий момент, но затрудняет достижение контроля скорости, поскольку скорость изменяется пропорционально нагрузке. Двигатели с последовательным возбуждением обычно используются в приложениях, требующих высокого пускового момента и мощности без необходимости точного управления скоростью, например, в стартерах и электроинструментах.

Шунтирующие двигатели постоянного тока

Шунтирующие двигатели постоянного тока имеют параллельную обмотку якоря и обмотки возбуждения, что позволяет питать их независимо друг от друга. Это делает управление скоростью относительно простым и дает им уникальную возможность поддерживать постоянную скорость, в основном, независимо от изменений нагрузки. Компромисс заключается в том, что ток распределяется между обмотками якоря и обмотками возбуждения, что приводит к меньшему крутящему моменту, чем у двигателей постоянного тока с последовательной обмоткой. Шунтирующие двигатели постоянного тока обычно используются в приложениях, требующих постоянной или регулируемой скорости, таких как смесители, насосы, конвейеры и подъемники.

Комбинированные двигатели постоянного тока

Комбинированные двигатели представляют собой компромисс между последовательными и шунтирующими двигателями постоянного тока с обоими типами обмотки в одном корпусе. Это делает их лучшими из обоих миров, если вам требуется как высокий крутящий момент, так и разумное управление скоростью.

Управление двигателем постоянного тока

Для большинства двигателей постоянного тока управление скоростью относительно простое по сравнению с двигателями переменного тока. Поскольку скорость двигателя пропорциональна напряжению в обмотках двигателя, технически все, что вам нужно, это простая схема регулировки напряжения ШИМ.

Хотя этой схемы может быть достаточно для некоторых приложений, она не может адаптироваться к изменениям скорости, вызванным изменениями нагрузки. Подходящий регулятор скорости будет отслеживать фактическую скорость двигателя, повышая или понижая напряжение для поддержания желаемой скорости.

Также легко изменить направление вращения двигателя постоянного тока, поменяв полярность напряжения на клеммах двигателя. Для этого обычно используется простая схема H-моста без использования механических переключателей.

Регуляторы скорости постоянного тока не требуют настройки, а их простота и низкая стоимость делают двигатели постоянного тока отличным выбором для многих типов приложений с переменной скоростью.

Выбор двигателя постоянного тока

Процесс выбора двигателя постоянного тока подобен любому другому электродвигателю. Хотя может быть много разных переменных, которые вам необходимо учитывать, начните с определения того, существуют ли какие-либо ограничения по физическим размерам, где будет размещаться двигатель, особенно в портативных устройствах и бытовой технике. Затем определите доступное напряжение, а также скорость и крутящий момент, необходимые для вашего приложения. Сравните эту информацию с имеющимися у вас вариантами.

Для небольших применений бесщеточные двигатели обеспечивают выдающуюся эффективность в компактном и прочном корпусе, а щеточные двигатели с постоянными магнитами более экономичны. В последнее время повышенное внимание к энергоэффективности привело к снижению стоимости бесщеточных двигателей, и они являются отличным выбором практически для любых небольших установок.