Электродвигатель постоянного тока

В данном тексте используется термин «электродвигатель постоянного тока».

Вращающая сила (крутящий момент) электродвигателя постоянного тока пропорциональна произведению напряженности магнитного поля, создаваемого статором, и электрического тока, протекающего через ротор. Магнитный поток поля, создаваемого статором, называется потоком поля.

С другой стороны, ротор также называют якорем, а электрический ток, протекающий через него, — током якоря. Термин «якорь» относится к устройству, используемому для подачи тока с целью создания крутящего момента.

Электродвигатели постоянного тока условно делятся на два типа, а именно: электродвигатели с постоянными магнитами, в которых используются постоянные магниты, и электродвигатели с обмоткой возбуждения, в которых постоянные магниты не используются.

Электродвигатель постоянного тока с постоянным магнитом

Электродвигатели постоянного тока с постоянным магнитом используют постоянные магниты и чаще всего применяются в моделях, автомобильных вспомогательных устройствах и других приложениях по всему миру.

Рис. 1.4 Электродвигатель с постоянным магнитом и двигатель постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока с постоянными магнитами делятся на следующие три типа по типу якоря (ротора)

<1> Щелевой тип

<2> Бесщелевой тип

<3> Бессердечниковый тип

Бессердечниковый тип <3> также называется «тип с подвижной катушкой».

Детали этих типов и связь между типом постоянного магнита и характеристиками будут рассмотрены в Главе 2.

Электродвигатель постоянного тока с обмоткой

Рис. 1.5 Фотография электродвигателя постоянного тока с обмоткой в разобранном состоянии

На Рис. 1.5 показан электродвигатель, создающий поток поля с помощью электромагнитов. Двигатели постоянного тока с обмоткой использовались в основном для средних и крупных электродвигателей мощностью до 1 лошадиной силы (около 750 Вт).

Этот тип электродвигателей подразделяется на следующие три типа в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения и обмотки якоря (см. Рис. 1.6).

Шунтирующий электродвигатель

Шунтирующий двигатель состоит из статора с сосредоточенной обмоткой и ротора с коммутатором, как показано на Рис. 1.5, причем обмотка возбуждения (статора) и обмотка якоря (ротора) соединены параллельно (Рис. 1.6<1>).

Особенностью этого электродвигателя является то, что скорость вращения не изменяется при изменении нагрузки (на валу электродвигателя). Такую особенность принято называть шунтирующей характеристикой.

В серийном электродвигателе обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно. (Рис. 1.6 <2>).

Особенностью этого электродвигателя является то, что скорость вращения значительно изменяется при изменении нагрузки. При запуске или на низких оборотах он создает большой крутящий момент. Когда нагрузка снижается, электродвигатель работает на высокой скорости.

Такую особенность принято называть последовательной характеристикой. Используя эту особенность, данный тип электродвигателя применялся в таких специфических областях, как краны, электропоезда и лифты.

В настоящее время серийные электродвигатели заменяются асинхронными или синхронными двигателями с инверторами для регулирования скорости.

Этот электродвигатель также вращается на переменном токе, который будет представлен позже в связи с электродвигателем с коммутатором. Однако вращение электродвигателя, спроектированного как электродвигатель постоянного тока, на переменном токе увеличивает потери в сердечнике и другие виды потерь, вызывая ненормальное выделение тепла.

Кстати, можно ли переделать шунтирующий электродвигатель в серийный и наоборот, поменяв местами обмотки возбуждения и обмотки якоря?

Проще говоря, вышеупомянутое изменение невозможно с практической точки зрения. Это связано с тем, что в шунтирующем электродвигателе тонкий провод наматывается на большое количество витков для создания обмотки возбуждения (которая имеет большое сопротивление), в то время как в серийном электродвигателе обмотка возбуждения состоит из толстого провода, намотанного небольшое количество раз (который имеет малое сопротивление).

Если обмотка возбуждения и обмотка якоря серийного электродвигателя соединены шунтами, это вызывает скачок тока возбуждения, что может привести к перегоранию обмотки возбуждения. Кроме того, последовательное соединение обмотки возбуждения и обмотки якоря электродвигателя с шунтом уменьшит ток возбуждения (= ток якоря), что не позволит электродвигателю работать на заданном уровне производительности.

Электродвигатель с раздельным полем

У электроддвигателя с раздельным полем обмотки возбуждения и якоря подключены к отдельному источнику питания. (Рис. 1.6<3>).

Широкий диапазон регулирования скорости возможен за счет раздельного управления током обеих обмоток.

Обзор принципа вращения электродвигателя постоянного тока

Я думаю, что некоторые из вас поняли принцип вращения электродвигателя постоянного тока еще в школе, изучая притягательные и отталкивающие силы магнитов. Вы узнали больше о принципах вращения электродвигателей, используя закон БЛИ и закон Флеминга (будет описан позже). Если вы произнесете фразу «закон Флеминга», вы покажитесь более умным, чем если вы начнете объяснять «N-полюс или S-полюс магнита……». А закон Флеминга более академичен, поскольку его можно использовать для расчета силы, создаваемой магнитом.

Но подождите.

Когда вы разбираете электродвигатель постоянного тока, вы обнаруживаете провод (катушку), намотанный вокруг полоски железа. Когда железо находится рядом, магнитный поток концентрируется в его части, а внутри участка катушки (провода) магнитный поток практически отсутствует (см. Рис. 2.18, который будет показан позже). В таких условиях невозможно объяснить принцип вращения электродвигателя постоянного тока с помощью закона Флеминга, который гласит: «Для провода с током в магнитном поле ………».

Тем не менее, школьные учебники по физике или электротехнике не могут ошибаться. Так как же вы должны думать об этом? Чтобы освоить любую технологию, важно не только понимать ее в голове, но и понимать конкретно, основываясь на реальном опыте.

Для этого мы подробно изучим принципы вращения электродвигателя и скорость вращения, используя в качестве зацепок и подсказок знакомые предметы, которые можно найти вокруг себя.

Эксплуатация электродвигателя постоянного тока из первых рук

Если у вас есть электродвигатель, используемый в модели, давайте им воспользуемся.

<1> Подключите электродвигатель к сухой батарейке 1,5 В и поверните его.

Электродвигатель должен начать работать, и вы услышите тихий звук. Это работа в режиме холостого хода.

<2> Если изменить подключение батареи, вращение электродвигателя изменится на противоположное.

<3> Если нагрузить электродвигатель, слегка сжав его вал кончиками пальцев, вы почувствуете передаваемое на них вращательное усилие (крутящий момент).

Звук работы электродвигателя изменится, а скорость вращения может показаться замедленной.

<4> Если сжать вал немного сильнее, крутящий момент увеличится, а скорость вращения снизится еще больше.

<5> Если зажать вал сильнее, электродвигатель перестанет работать.

Но электродвигатель будет продолжать издавать воющий звук.

Далее попробуйте провести тот же эксперимент, используя две батарейки.

<6> Звук вращения электродвигателя становится выше, и может показаться, что он работает быстрее.

<7> Если зажать вал с большей силой, чем при использовании одной батарейки, двигатель все равно продолжит вращаться.

Чтобы остановить электродвигатель, нужно приложить большее усилие, зажав вал.

Вышеприведенный эксперимент учит нас следующему:

● Использование двух батареек увеличивает вращающую силу.

● Использование двух батареек увеличивает скорость вращения.

● При неизменном источнике питания увеличение нагрузки (с помощью пальцев, сжимающих вал) уменьшает скорость вращения.

Это был слишком простой эксперимент, но я думаю, что он затронул важное явление, которое следует рассмотреть с точки зрения принципов работы электродвигателя постоянного тока и его характеристик.

Как вы думаете, что увеличило вращающую силу или скорость вращения? Было ли это влияние напряжения или тока батареи? А как связаны сила вращения и скорость вращения?

Теперь мы рассмотрим электродвигатель постоянного тока на основе вышеприведенного опыта.

Структура электродвигателя постоянного тока

Рис. 2.1 Структура электродвигателя постоянного тока и названия деталей

Основные принципы ротации

Конечная цель раздела 2-1 – понять принципы вращения электродвигателя постоянного тока с железным сердечником.

Для этого нам необходимо иметь базовые знания о двигателях.

Поэтому мы рассмотрим двигатель с ротором без сердечника, подобный тем, что описываются в учебниках по естествознанию или физике.

В то же время мы узнаем, что двигатель без сердечника используется на практике, а не только в теории.

Тем не менее, цель этого текста – научить «серьезным технологиям с легкостью». Вместо того чтобы просто разбирать уроки, мы будем обсуждать темы, которые помогут вам в профессиональной деятельности.

Закон BLI

Как показано на Рис. 2.2, предположим, что в воздухе существует магнитное поле B. Когда ток I подается на провод, расположенный поперек поля, в проводе возникает сила F. Величина этой силы определяется следующим уравнением, которое называется законом BLI.

F = BLI …… (2.1)

F: сила [N] B: плотность магнитного потока [Т].

L: Длина провода в поле [м] I: Ток [A]

Более того, направление силы, приложенной к проволоке, соответствует направлению, показанному на рисунке, в соответствии с правилом левой руки Флеминга.

Что касается соответствующего соотношения между пальцами и символами, запомните его, используя “F, B, I”, начиная с большого пальца, или в обратном порядке, начиная со среднего пальца и двигаясь к большому пальцу, используя “Ток, Поле и Сила”.

Символ B обозначает напряженность линий магнитного поля и называется плотностью магнитного потока. Линии магнитного поля не видны, и поэтому их невозможно проверить напрямую. В Международной системе единиц (СИ) плотность магнитного потока обозначается Т (Тесла), которая равна [Вб/м2] единицы МКС.

Один тесла — это напряженность магнитного поля, когда на квадратный метр приходится магнитный поток в один вебер [Вб].

Другая единица, гаусс [G], также используется физиками и производителями магнитов. Один Т эквивалентен 10 000 Г.

Рис. 2.2 Правило левой руки Флемминга

Принцип вращения электродвигателей без сердечников

Когда провод наматывается на катушку, как показано на Рис. 2.3, и подается ток I в указанном направлении, на левую сторону катушки действует сила, направленная вверх, а на правую — сила, направленная вниз, что приводит к вращению катушки. Это принцип вращения электродвигателей постоянного тока, который мы изучали в школе.

Рис 2.3 Принцип работы электродвигателя постоянного тока
T = 2RF = 2RNBLI …… (2.2)

T: Крутящий момент [Нм] R: Радиус вращения [м] N: Количество витков катушки
L: Ширина магнитного пути [м]

Рис. 2.4 Мертвый центр вращающейся катушки

Если используется только набор катушек, направление вращения невозможно определить, когда катушка достигнет положения A на Рис. 2.4. Поэтому следует установить несколько катушек и последовательно переключать ток по мере вращения катушек, тогда группа катушек будет вращаться непрерывно.

Сначала рассмотрим электродвигатель с одной катушкой. Если учесть распределение магнитного потока, радиус и длину катушки, а также то, как протекает ток, исходя из уравнения (2.2), то крутящий момент T (сила вращения) можно выразить пропорционально току I в соответствии со следующим уравнением. Коэффициент пропорциональности K_T называется постоянной крутящего момента.

T = K_TI …… (2.3)

I: Ток катушки [A] K_T: Постоянная крутящего момента [Нм/A]

Это уравнение показывает, что крутящий момент электродвигателя постоянного тока пропорционален току. Это одна из очень важных характеристик электродвигателей постоянного тока.

Постоянная крутящего момента будет выражена в соответствии со следующим уравнением из уравнений (2.2) и (2.3):

K_T = 2RNBL [Нм/A] …… (2.4)

В случае с реальным двигателем, как показано на Рис. 2.16 (будет описано позже), двигатель имеет несколько катушек, соединенных как лепестки, и ток через клеммы электродвигателя течет внутри электродвигателя, который разделен на две части. Пусть число витков всех катушек равно N, тогда постоянный крутящий момент будет выражаться уравнением (2.4).

Сборка клипсового электродвигателя

Давайте соберем простой электродвигатель – клипсовый, который встречается в школьных учебниках.

Материалы можно приобрести в канцелярском или хозяйственном магазине.

О том, как его сделать, см. Рис. 2.5. Сделайте катушку, намотав эмалированную проволоку.

Лучше использовать эмалированную проволоку диаметром 0,4-0,6 мм, а количество витков катушки должно составлять примерно 15-30. Чтобы намотка была аккуратной, используйте крышку от ПЭТ-бутылки. После намотки не забудьте отрегулировать катушку так, чтобы она была максимально симметрична относительно вала вращения.

При удалении эмалевой облицовки на концах катушки следует соблюдать осторожность. С одной стороны, облицовка должна быть удалена полностью, а с противоположной – только наполовину, как видно на развернутом виде. Это ключевой момент в работе клипсовых электродвигателей.

Также обратите внимание на степень удаления эмали и угол наклона к катушке.

Вставьте катушку в булавку и слегка поверните ее в любом направлении. После этого она продолжит вращаться.

Если катушка симметрична, она будет вращаться и в обратном направлении. Если она несимметрична, то будет вращаться только в одном направлении.

Рис. 2.5 Сборка клипсового электродвигателя

Намотайте эмалированную проволоку диаметром 0,4-0,6 мм от 15 до 30 раз.
Удалите эмаль полностью или удалите только половину эмалевой облицовки.
Вставьте булавку в резиновый ластик.

Материал
Эмалированная проволока 0,4-0,6 мм диаметром	3 м
Ферритовый магнит	Одна штука
Булавка предохранительная	Две штуки
Резиновый ластик	Две штуки
Батарейка размера D	Одна штука
Футляр для батарейки размера D	Одна штука
Шнур с зажимом «крокодил»	Две штуки

Скорость вращения электродвигателя постоянного тока и противоэлектродвижущая сила

Скорость вращения электродвигателя постоянного тока и противоэлектродвижущая сила

Функция выработки мощности и правило правой руки

Рис. 2.6 Электровигатель становится генератором

Рис. 2.7 Правило правой руки Флемминга

e: Вырабатываемое напряжение, противоэлектродвижущая сила
[В] Плотность магнитного потока [T]
L: Длина провода в поле [м]
v: скорость [м/с]

Рис. 2.8 Скорость вращения и вырабатываемое напряжение (противоэлектродвижущая сила)

Подключите два электродвигателя, ориентируясь на Рис. 2.6. Подключите миниатюрную лампу к одному из двигателей, а другой двигатель – к источнику питания и вращайте электродвигатель. Миниатюрная лампа загорится.

Из этого эксперимента вы узнаете, что двигатель постоянного тока может вырабатывать энергию.

Теперь мы перемещаем провод через поле со скоростью v без подачи напряжения на двигатель, как показано на Рис. 2.7. Мы узнаем, что в проводе возникает напряжение e. Давайте сравним это с предыдущим Рис. 2.2.

Направление напряжения определяется правилом правой руки Флеминга. Направление тока противоположно направлению тока, показанному на Рис. 2.2. Поскольку эта функция уменьшает ток, она называется противоэлектродвижущей силой. Предположив, что провод является частью обмотки электродвигателя, мы можем выразить скорость провода v как v = ωR, обратившись к Рис. 2.3. Таким образом, противоэлектродвижущая сила, возникающая в этом проводе, будет выражаться следующим уравнением:

e = BLRω …… (2.6)

ω: Скорость вращения [рад/с] R: Радиус поворота [м]

Это означает, что противоэлектродвижущая сила пропорциональна скорости вращения ω.

В случае реального двигателя постоянного тока противоэлектродвижущие силы, действующие на все катушки, объединяются и возникают между клеммами.

Поскольку она также пропорциональна скорости вращения, ее выражают через постоянную обратной эмиссии K_E.

e = K_Eω …… (2.7)

e: Напряжение, возникающее на клеммах электродвигателя (противоэлектродвижущая сила) [В]

K_E: постоянная обратной ЭДС [Вс/рад]

ω: Скорость вращения [рад/с]

Если измерить эту зависимость на реальном двигателе, то она будет представлять собой чистую прямую линию, как показано на Рис. 2.8.

На самом деле постоянная обратной эмиссии K_E и постоянная крутящего момента K_T – это одно и то же, что можно проверить следующим образом:

Если предположить, что число витков катушки равно N, то зависимость между вырабатываемым напряжением e и постоянной обратной связи K_E будет выглядеть следующим образом:

e = 2RNBLω = K_Eω …… (2.8)

Подставив в уравнение (2.7) вместо K_T = 2RNBL из уравнения (2.4) и разделив обе стороны на ω, получим

K_T = K_E …… (2.9).

Если K_T и K_E одинаковы для электродвигателей постоянного тока, что это означает?

Проще говоря, это означает, что электдвигатель является двунаправленным преобразователем энергии между электричеством и машиной.

Мы можем интерпретировать, что правило левой руки Флеминга рассматривает преобразование энергии в направлении «электричество – машина», коэффициент преобразования которого равен K_T.

В то же время правое правило Флеминга рассматривает его в направлении «машина – электричество», коэффициент преобразования которого будет равен K_E.

Таким образом, K_T и K_E – это одно и то же. Однако в этом тексте мы будем продолжать использовать K_T и K_E отдельно, чтобы четко обозначить направление преобразования.

Изучение функции выработки энергии электродвигателем

Функция выработки энергии также проявляется, когда электродвигатель находится под напряжением и вращается. Чтобы наблюдать такое состояние, мы будем вращать электродвигатель, о котором мы говорили ранее, используя для питания понижающий переменный ток полуволновой формы, выпрямленный диодом, как показано на Рис. 2.9.

На входе должна была бы быть половина синусоиды, но между клеммами электродвигателя мы наблюдаем форму волны напряжения, как показано на Рис. 2.10. Это напряжение (противоэлектродвижущая сила) из уравнения (2.7), создаваемое внутренней генераторной функцией электродвигателя.

Рис. 2.9 Вращение электродвигателя с полуволновым выпрямленным источником питания

Рис. 2.10 Напряжение на клеммах двигателя при вращении в режиме холостого хода

Баланс напряжения
На Рис. 2.11 показано, как работает функция выработки энергии внутри электродвигателя. На рисунке видно, что сумма падения напряжения RaIa , вызванного сопротивлением обмотки Ra, падением напряжения на щеточном контакте VB и внутренним напряжением, создаваемым вращением электродвигателя (противоэлектродвижущей силой) e = KEω, находится в равновесии с внешним напряжением v.

Рис. 2.11 Внутренняя генерация энергии в электродвигателе

Что произойдет, если внешнее напряжение увеличится?

<1> Увеличится разность напряжений на концах сопротивления обмотки Ra, что приведет к увеличению тока I_a в цепи.

<2> При увеличении тока возрастает крутящий момент.

<3> Увеличение крутящего момента повышает скорость вращения двигателя.

<4> Более быстрое вращение увеличивает противоэлектродвижущую силу.

Скорость вращения увеличивается в такой последовательности, пока электродвигатель не достигнет нового устойчивого состояния.

Далее посмотрим, что произойдет, если увеличить внешнюю нагрузку при неизменном напряжении.

<1> По мере того, как скорость вращения падает, противоэлектродвижущая сила уменьшается.

<2> В результате на обмоточном резисторе возникает разность напряжений, что приводит к увеличению тока.

<3> По мере увеличения тока увеличивается крутящий момент электродвигателя, чтобы уравновесить внешнюю нагрузку.

На этот раз обороты электродвигателя становятся стабильными при более низких скоростях, чем раньше.

Электродвигатель постоянного тока имеет следующие характеристики:

・При неизменной нагрузке подача более высокого напряжения увеличивает скорость вращения

・Если нагрузка увеличивается, скорость вращения падает, а крутящий момент увеличивается.

Другими словами, эффекты, объясняемые правилами левой и правой руки, которые мы считали отличными друг от друга, присутствуют в электродвигателе одновременно. Скорость вращения электродвигателя определяется, когда эти эффекты уравновешены друг с другом.

Взаимосвязь между скоростью вращения и крутящим моментом

Взаимосвязь между скоростью вращения и крутящим моментом электродвигателя постоянного тока можно представить в виде диаграммы, показанной на Рис. 2.12.

Рис. 2.12 Скорость вращения и крутящий момент электродвигателя постоянного тока

При постоянном напряжении питания на диаграмме видно, что характеристики электродвигателя постоянного тока можно представить в виде прямой линии, идущей в направлении сверху вниз слева направо.

На верхнем левом конце линии вы видите угловую скорость холостого хода, а на нижнем правом – пусковой момент. Кроме того, при повышении напряжения питания эта линия параллельно перемещается в правый верхний угол; и, наоборот, при понижении напряжения – в левый нижний угол.

Вы уже знаете, что электродвигатель постоянного тока имеет свойство увеличивать крутящий момент пропорционально силе тока. На этот раз мы узнали, что у него есть еще одна особенность – увеличивать скорость вращения при повышении напряжения. Это довольно удобная характеристика с точки зрения управления вращением.

Еще одна примечательная особенность заключается в том, что электродвигатель постоянного тока создает момент, пропорциональный току, даже если скорость вращения равна нулю, благодаря соотношению T = K_T (уравнение 2.3). Это означает, что положение остановки может поддерживаться путем регулирования тока, даже если во время управления положением прикладывается большая внешняя сила.

Это свойство характерно только для электродвигателей постоянного тока и бесщеточных электродвигателей постоянного тока и не встречается у асинхронных или шаговых электродвигателей. Электровигатели постоянного тока и бесщеточные электродвигатели постоянного тока используются для сервоуправления благодаря этой особенности -способности сохранять положение остановки.

<Короткий столбец> N-T характеристики

Если единицей измерения скорости вращения является [об/мин], то зависимость от крутящего момента иногда называют N-T-характеристикой.

Пример бессердечникового электродвигателя

Рис. 2.13 Конструкция безсердечниковых электродвигателей

Электродвигатели, у которых нет сердечников, называются безсердечниковые электродвигатели, или двигатели с подвижной катушкой.

Как следует из названия, безсердечниковый электродвигатель не использует сердечник для ротора. Вместо него в качестве ротора используется катушка, закаленная смолой. На Рис. 2.13 показан пример, а на Рис. 2.14 – вид в разрезе.

Другой тип электродвигателя без сердечника имеет плоскую катушку. Поскольку этот электродвигатель изготавливается по той же технологии, что и печатные платы, его называют печатным электродвигателем.

Рис. 2.14 Вид в разрезе бессердечникового электродвигателя

Отказ от использования стального сердечника для ротора дает ряд следующих преимуществ:

● Малый момент инерции позволяет действовать быстро. (*Примечание)

● Ротор, не подверженный магнитному притяжению, обеспечивает плавное вращение.

● Малая индуктивность играет важную роль в предотвращении искрения при выпрямлении.

● Низкая вероятность искрообразования снижает износ щеток.

Меньший износ позволяет использовать металлические щетки, что снижает падение контактного напряжения и повышает КПД электродвигателя.

Однако эта технология не лишена недостатков.

● Для уменьшения размеров или разработки высокопроизводительного двигателя без сердечника требуются алнико, редкоземельные и другие дорогостоящие магниты.

● Высокая стоимость производства катушек.

● Увеличение стоимости производства при использовании драгоценных металлов для щеток и коммутаторов.

Вследствие вышеперечисленного бессердечниковые электродвигатели не вошли в массовое использование для массовых поставок по недорогим ценам. Они использовались в компактном оборудовании, измерительных приборах и прецизионных электродвигателях управления.

Однако в последние годы, благодаря их компактным размерам, они стали использоваться в мобильных телефонах в качестве вибромотора (мотор пейджера). Теперь они стали одним из наиболее часто используемых нами электродвигателей.

Хотя это и не бессердечниковый электродвигатель, это электродвигатель с катушкой, намотанной вокруг цилиндрического сердечника. В отличие от обычных электродвигателей постоянного тока, сердечник этого электродвигателя не имеет пазов, поэтому он называется бесщелевым.

Сердечник бесщелевого электродвигателя вращается вместе с катушкой, и он работает по принципу, практически идентичному принципу работы бесщелевых электродвигателей. Бесщелевой электродвигатель использовался в качестве высокопроизводительного управляющего электродвигателя до появления бесщеточного электродвигателя постоянного тока.

*Примечание: печатный электродвигатель имеет плоскую форму катушки, поэтому его момент инерции не мал.

Электродвигатель постоянного тока со слотом для сердечника

Теперь рассмотрим электродвигатель с железным сердечником.

Ротор электродвигателя постоянного тока, который мы обычно видим, состоит из тонких стальных листов с прорезями (пластин из кремниевой стали), а катушка вставляется в прорези сердечника.

Минимальное количество пазов, необходимое для того, чтобы ротор мог вращаться под любым углом, — три. Такая структура знакома нам по моторам, используемым в моделях.

Если число пазов невелико, то крутящий момент будет различаться в зависимости от положения вращения. Чем больше число пазов и катушек, тем более плавным будет вращение за счет уменьшения неравномерности (колебаний) крутящего момента. По этой причине электродвигатели высшего класса имеют больше пазов и много катушек.

В электродвигателе с большим количеством пазов катушки соединяются крест-накрест, как показано на Рис. 2.15.

Такой способ намотки называется нахлесточный. Также метод намотки катушки между соседними пазами называется концентрической намоткой, и этот метод был принят для шаговых электродвигателей и бесщеточных электродвигателей постоянного тока.

Рис. 2.15 Ротор с щелевым сердечником и катушкой

Если развернуть катушку ротора, мы увидим, что катушки соединены с коммутатором, как лепестки цветка с чашечкой, как показано на Рис. 2.16 (b). Как видно из рисунка, ток с клеммы течет, разделяя группу катушек на две. Такая структура электродвигателя постоянного тока позволяет последовательно переключать некоторые обмотки при вращении ротора.

Рис. 2.16 Расширение катушки, намотанной внахлестку

Рис. 2.17 Перекос ротора

Кроме того, переключение катушки осуществляется в промежуточном положении магнита, в котором не действует магнитная сила (нейтральный пояс), чтобы не возникало противоэлектродвижущей силы. Использование такой конструкции позволяет снизить потери в щетках, возникающие при переключении тока в катушке (во время коммутации).

Другой метод, используемый для уменьшения неравномерности крутящего момента, заключается в создании пазов, расположенных под углом к направлению вращения.

Такие пазы называются перекосами или наклонными пазами. Перекошенный ротор показан на Рис. 2.17.

Катушка и обмотка

В области электродвигателей провод, намотанный вокруг полюса, обычно называют «катушкой», а состояние, в котором соответствующие катушки взаимно соединены, — «обмоткой». В этом тексте мы будем использовать эти термины соответственно.

Принцип вращения электродвигателя постоянного тока с пазом для сердечника

Возвращаясь к первому вопросу, отметим, что по своей природе железо примерно в 1 000 раз более магнитопроводно, чем воздух. В силу этой природы силовые линии магнитного поля концентрируются в сердечнике щелевого ротора, как показано на Рис. 2.18, в то время как магнитные поля катушек становятся чрезвычайно слабыми. Такое условие не позволяет выполнить закон БЛИ, гласящий «проводу, помещенному в магнитное поле…», и предпосылку о противоэлектродвижущей силе, гласящую «провод пересекает магнитное поле…».

Рис. 2.18 Магнитный поток, сосредоточенный в сердечнике

Если вращать вал электродвигателя пальцами, когда на катушку не подано напряжение, можно почувствовать некоторое сопротивление, вызванное зубцами ротора и постоянными магнитами. Это явление называется зубчатым зацеплением.

Вы не можете проверить влияние зубчатого зацепления, цитируя закон BLI или обращаясь за объяснением к предпосылке о противоэлектродвижущей силе.

Поэтому мы попытаемся объяснить принцип создания крутящего момента у электродвигателя с сердечником с двух сторон.

Краткое описание работы электродвигателя постоянного тока с пазом для сердечника

Следующий важный вывод основывается на аналитических результатах, описанных в справочном материале [1], применительно к крутящему моменту электродвигателя постоянного тока.

При расчете крутящего момента электродвигателя постоянного тока с щелевым сердечником, как представляется, выполняется закон BLI.

Другими словами, если предположить, что электродвигатель является преобразователем энергии, то одни могут считать, что он преобразует электрическую энергию непосредственно в механическую, а другие – что он преобразует электрическую энергию в электромагнитную, а затем в механическую.

Какую бы идею вы ни приняли, факт остается фактом: количество механической энергии, выделяемой электродвигателем при однократном вращении ротора, одинаково. Следовательно, можно сделать вывод, что принцип создания крутящего момента электродвигателей постоянного тока с сердечником также может быть объяснен с помощью закона BLI.

Однако для более точного исследования таких факторов, как неравномерность крутящего момента, обусловленная положением ротора, одного лишь закона BLI недостаточно, потребуется анализ с учетом концентрации магнитного потока в сердечнике.

Краткое содержание этого раздела

Ниже приводится краткое изложение тем, которые мы до сих пор рассматривали применительно к электродвигателям постоянного тока:

<1> Крутящий момент пропорционален току.

<2> Скорость вращения определяется балансом между напряжением на клеммах электродвигателя и противоэлектродвижущей силой. Если нагрузка остается неизменной, то при более высоком напряжении на клеммах скорость вращения будет выше.

<3> Если напряжение на клеммах остается неизменным, меньше нагрузка — быстрее скорость вращения, а больше нагрузка — медленнее скорость вращения.

<4> Если мы объясним характеристики электродвигателя с щелевым сердечником, приведя в пример двигатель без сердечника, то кажущиеся характеристики обоих двигателей будут одинаковыми.

Прежде чем завершить этот раздел, мы покажем на Рис. 2.21 типичные характеристики электродвигателей постоянного тока, наблюдаемые при постоянном напряжении на зажимах.

Рис. 2.21 Характеристики электродвигателей постоянного тока

На рисунке показаны две прямые линии.

Прямая линия, наклоненная сверху слева вниз направо, показывает зависимость между скоростью вращения и крутящим моментом, как объясняется в разделе, посвященном скорости.

При наклоне прямой линии сверху слева вниз направо верхний левый конец представляет собой скорость вращения в режиме холостого хода, а нижний правый конец – крутящий момент при запуске.

Прямая линия, наклоненная снизу вверх слева направо, показывает зависимость между крутящим моментом и током. Электровигатели имеют потери на трение из-за контакта между подшипником и щетками, даже если они вращаются в режиме холостого хода. Если эти потери корректируются, то крутящий момент и ток находятся в пропорциональной зависимости.

Для примера предположим, что электродвигатель работает с нагрузкой А. Цифра <1> — это скорость вращения двигателя, а <1'> — ток. Теперь, если состояние нагрузки изменится на B, мы понимаем, что скорость вращения будет <2>, а ток <2'>.