DC-Motor: das Funktionsprinzip Gleichstrommotor: Gerät

Die erste von den rotierenden elektrischen Maschinen, die im 19. Jahrhundert erfunden wurden, ist ein Gleichstrommotor. Das Prinzip seiner Operation ist aus der Mitte des letzten Jahrhunderts bekannt, und bis jetzt, DC-Motoren weiterhin treu dienen ein Mann, treibt viele nützliche Maschinen und Mechanismen.

Erste DFT

Seit den 30er Jahren des 19. Jahrhunderts sind sie in ihrer Entwicklung mehrere Stufen durchlaufen. Tatsache ist, dass vor dem Erscheinen am Ende des Jahrhunderts vor dem letzten der Maschinengeneratoren die einzige Quelle der Elektrizität eine galvanische Zelle war. Daher konnten alle ersten Elektromotoren nur auf Gleichstrom arbeiten.

Was war der erste DC-Motor? Das Prinzip der Bedienung und Anordnung der Motoren, die in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts gebaut wurde, war wie folgt. Die Polaritätsinduktivität war ein Satz von festen Permanentmagneten oder Stab Elektromagneten, die keinen gemeinsamen geschlossenen Magnetkreis hatten. Ein baumartiger Anker bildete mehrere getrennte Stab-Elektromagneten auf einer gemeinsamen Achse, gedreht durch Kräfte der Abstoßung und Anziehung zu den Polen des Induktors. Typisch für ihre Vertreter waren die Motoren von U. Ricci (1833) und B. Jacobi (1834), die mit mechanischen Stromschaltern in Elektromagneten mit Ankerkontakten im Ankerwicklungskreis ausgestattet waren.

Wie der Motor von Jacobi gearbeitet hat

Was war das Prinzip dieser Maschine? Der Jacobi-Gleichstrommotor und seine Analoge hatten ein pulsierendes elektromagnetisches Moment. Während der Zeit der Annäherung an die entgegengesetzten Pole des Ankers und der Induktivität unter der Wirkung der magnetischen Anziehungskraft, erreichte der Augenblick des Motors schnell ein Maximum. Dann, an der Stelle der Ankerpole gegenüber den Induktorpole, unterbrach der mechanische Schalter den Strom in den Anker-Elektromagneten. Der Moment fiel auf Null. Wegen der Trägheit des Ankers und des angetriebenen Mechanismus kamen die Ankerpole unter den Pole des Induktors heraus, in diesem Moment wurde ein Strom der entgegengesetzten Richtung vom Kommutator zugeführt, ihre Polarität änderte sich auch in die entgegengesetzte Richtung und die Anziehungskraft auf den nächsten Pol des Induktors wurde durch die abstoßende Kraft ersetzt. So wurde der Jacobi-Motor durch aufeinanderfolgende Stöße gedreht.

Ein ringförmiger Anker erscheint

In den Stab-Elektromagneten des Jacobi-Motorankers wurde der Strom periodisch abgeschaltet, das von ihnen erzeugte Magnetfeld verschwand, und seine Energie wurde in thermische Verluste in den Wicklungen umgewandelt. So trat die elektromechanische Umwandlung der elektrischen Stromquelle des Ankers (galvanische Zelle) in eine mechanische in ihr mit Unterbrechungen auf. Wir brauchten einen Motor mit einer kontinuierlichen geschlossenen Wicklung, der Strom, in dem während der gesamten Betriebszeit kontinuierlich fließen würde.

Und solche fuhtufn wurde im Jahre 1860 von A. Pacinotti geschaffen. Was war der Unterschied zwischen seinem DC-Motor und seinen Vorgängern? Das Prinzip der Bedienung und die Pachinotti-Motoranordnung sind wie folgt. Als Anker benutzte er einen Stahlring mit Speichen, die an einem senkrechten Schaft befestigt waren. Allerdings hatte der Anker nicht klar ausgedrückte Pole. Er wurde eine implizite Pole.

Zwischen den Speichen des Rings waren die Spulen der Ankerwicklung gewickelt, deren Enden im Anker selbst in Reihe geschaltet waren, und die mit den Sammlerplatten verbundenen Hähne, die sich entlang des Umfangs am Boden der Motorwelle befanden, deren Anzahl gleich der Anzahl der Spulen war, wurden von den Verbindungspunkten jeder der beiden Spulen hergestellt. Die gesamte Ankerwicklung wurde zu sich selbst geschlossen, und die aufeinanderfolgenden Punkte der Verbindung ihrer Spulen wurden mit benachbarten Sammelplatten verbunden, entlang denen ein Paar stromführende Rollen gleitten.

Der ringförmige Anker wurde zwischen die Pole der beiden festen Elektromagneten des Statorinduktors gelegt, so daß die von ihnen erzeugten Kraftlinien des Magnetfeldes der Erregung in die äußere zylindrische Oberfläche des Motorankers am Nordpol der Erregung eintraten, an dem Ringanker vorbeifuhren, ohne sich in seine innere Öffnung zu bewegen, Südpol.

Wie Pachinotti-Motor arbeitete

Was war sein Funktionsprinzip? Der Pachinotti-Gleichstrommotor funktionierte genau wie die moderne DPT.

Im Magnetfeld des Pols des Induktors mit einer gegebenen Polarität gab es immer eine gewisse Anzahl von Leitern der Ankerwicklung mit einem Strom konstanter Richtung, wobei die Richtung des Ankerstroms unter verschiedenen Pole des Induktors entgegengesetzt war. Dies wurde erreicht, indem die stromführenden Rollen, die die Rolle der Bürsten spielen, in den Raum zwischen den Polen des Induktors platziert wurden. Daher floss der augenblickliche Strom des Ankers in die Wicklung durch die Walze, die Sammelplatte und die damit verbundene Abzweigung, die sich auch im Raum zwischen den Polen befand, strömte dann in entgegengesetzte Richtungen entlang der beiden halbwickelnden Äste und floss schließlich durch die Abzweigleitung, die Sammelplatte und die Walze in einem anderen Interpolar Lücke In diesem Fall wälzt sich der Anker unter den Pole des Induktors, aber die aktuelle Richtung in ihnen blieb unverändert.

Nach dem Ampere-Gesetz handelte für jeden Leiter der Ankerspule im Magnetfeld des Induktorpols eine Kraft, deren Richtung durch die bekannte "linke" Regel bestimmt wird. In Bezug auf die Achse des Motors erzeugte diese Kraft ein Drehmoment, und die Summe der Momente von all diesen Kräften ergibt das Gesamtdrehmoment des DCT, das auch bei mehreren Platten des Kollektors nahezu konstant ist.

DFT mit Ringanker und Grammatikwicklung

Wie es in der Geschichte der Wissenschaft und Technik oft geschehen ist, hat die Erfindung von A. Pacinotti keine Anwendung gefunden. Es war für 10 Jahre vergessen, bis im Jahre 1870 wurde es unabhängig von der deutsch-französischen Erfinder Z. Gramm in einer ähnlichen Gestaltung eines Gleichstromgenerators wiederholt . Bei diesen Maschinen war die Rotationsachse bereits horizontal, und es wurden Kohlebürsten verwendet, die über die Kollektorplatten mit nahezu modernem Design gleiten. In den 70er Jahren des 19. Jahrhunderts war das Prinzip der Reversibilität von elektrischen Maschinen bekannt geworden, und die Gram-Maschine wurde als Generator und Gleichstrommotor eingesetzt. Das Prinzip der Bedienung ist bereits oben beschrieben.

Trotz der Tatsache, dass die Erfindung des ringförmigen Ankers ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von DPT war, war seine Wicklung (genannt Gram) ein erheblicher Nachteil. Im Magnetfeld der Induktorpole gab es nur jene Leiter (sogenannte aktive Leiter), die unter diesen Pole auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des Ankers liegen. Es war für sie, dass Ampere die magnetischen Kräfte angewendet wurden , wodurch ein Drehmoment um die Achse des Motors. Die gleichen inaktiven Leiter, die durch das Loch des Ringankers hindurch gingen, nahmen an der Entstehung des Augenblicks nicht teil. Sie haben einfach nutzlos Strom in Form von Wärmeverlusten verstreut.

Vom Ringanker bis zur Trommel

1873 gelang es dem bekannten deutschen Elektroingenieur F. Gefner-Altenek, diesen Nachteil des Ringankers zu beseitigen. Wie funktionierte sein DC-Motor? Das Prinzip der Bedienung, die Vorrichtung des Induktor-Stators ist die gleiche wie die eines Motors mit einer Ringwicklung. Aber das Design des Anchors und seine Wicklung haben sich geändert.

Gefner-Altenek wies darauf hin, dass die Richtung des Ankerstroms, der von den festen Bürsten in den Leitern der Grams Wicklung unter den benachbarten Erregungspole fließt, immer entgegengesetzt ist, d.h. Sie können in die Zusammensetzung der Spulen aufgenommen werden, die sich auf der äußeren zylindrischen Oberfläche der Spule befinden, wobei eine Breite (Teilung) gleich der Polteilung (Teil des Umfangs des Ankers pro einem Erregerpol) ist.

In diesem Fall wird das Loch im ringförmigen Anker unnötig, und es wird ein fester Zylinder (Trommel). Eine solche Wicklung und der Anker selbst erhielten den Namen einer Trommel. Der Kupferverbrauch für eine identische Anzahl aktiver Leiter ist viel geringer als in der Grammwicklung.

Anker wird zahnlos

In den Maschinen von Gram und Gefner-Altenek war die Oberfläche des Ankers glatt, und die Leiter der Wicklung befanden sich in der Lücke zwischen ihr und den Pole des Induktors. Der Abstand zwischen der konkaven zylindrischen Oberfläche des Erregerpols und der konvexen Oberfläche des Ankers erreichte einige Millimeter. Um also die gewünschte Größe des Magnetfeldes zu erzeugen, war es erforderlich, Erregerspulen mit einer großen magnetomotorischen Kraft (mit einer großen Anzahl von Windungen) zu verwenden. Dies erhöhte deutlich die Abmessungen und das Gewicht der Motoren. Darüber hinaus war auf der glatten Oberfläche des Ankers seiner Spule schwer zu befestigen. Aber wie geht es? Immerhin, um auf einen Leiter mit einem Strom von Ampere Kraft zu wirken, muss er sich in Punkten des Raumes mit einem großen Magnetfeld (mit einer großen magnetischen Induktion) befinden.

Es stellte sich heraus, dass dies nicht notwendig ist. Der amerikanische Erfinder der Maschinengewehr H. Maxim zeigte, dass, wenn der Trommelanker gezahnt ist und die Spulen der Trommelwicklung zwischen den Zähnen gebildet werden, die Lücke zwischen ihm und den Erregungspindern auf Bruchteile eines Millimeters reduziert werden kann. Dies ermöglichte es, die Größe der Erregerspulen wesentlich zu reduzieren, aber das Drehmoment der DFT ging im geringsten nicht ab.

Wie funktioniert ein solcher Gleichstrommotor? Das Prinzip der Operation beruht auf der Tatsache, daß bei einem gezahnten Anker die magnetische Kraft nicht auf Leiter in ihren Rillen angewendet wird (es gibt praktisch kein Magnetfeld in ihnen), sondern zu den Zinken selbst. In diesem Fall ist das Vorhandensein von Strom im Leiter in der Rille entscheidend für die Entstehung dieser Kraft.

Wie bekomme ich die Wirbelströme los?

Eine weitere wichtige Verbesserung wurde von dem berühmten Erfinder T. Edison gemacht. Was hat er dem DC-Motor hinzugefügt? Das Handlungsprinzip blieb unverändert, aber das Material, aus dem sein Anker gemacht wurde, änderte sich. Anstelle des ehemaligen Massivs wurde es aus dünnen, elektrisch isolierten Stahlblechen laminiert. Dies ermöglichte es, die Größe der Wirbelströme (Foucault Strömungen) im Anker zu reduzieren, was den Wirkungsgrad des Motors erhöhte.

Funktionsprinzip des Gleichstrommotors

Kurz gesagt kann es wie folgt formuliert werden: Beim Anschließen der Wicklung des Anker eines angeregten Motors an eine Stromquelle erscheint ein großer Strom, der als Anlaufstrom bezeichnet wird und seinen Nennwert mehrmals überschreitet. Darüber hinaus ist unter den Pole der Erregung der entgegengesetzten Polarität die Richtung der Ströme in den Leitern der Ankerwicklung auch das Gegenteil, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Nach der Regel der "linken Hand" wirken Ampere-Kräfte auf diese Leiter, gegen den Uhrzeigersinn gerichtet und ziehen den Anker. In diesem Fall wird eine elektromotorische Kraft (Gegen-EMK) in die Leiter der Ankerwicklung gerichtet , die entgegengesetzt zur Spannung der Energiequelle gerichtet ist. Als der Anker zerstreut, wächst auch der Anti-EMF in seiner Wicklung. Dementsprechend nimmt der Ankerstrom vom Anlaufstrom auf den Wert ab, der dem Betriebspunkt der Motorcharakteristik entspricht.

Um die Drehzahl des Ankers zu erhöhen, ist es notwendig, entweder den Strom in seiner Wicklung zu erhöhen oder den Gegen-EMK zu reduzieren. Letzteres kann durch Verringern des Magnetfeldes der Anregung durch Verringerung des Stroms in der Erregerwicklung erreicht werden. Diese Methode zur Steuerung der Geschwindigkeit von DPT ist weit verbreitet.

Das Prinzip des Gleichstrommotors mit unabhängiger Erregung

Mit dem Anschluss der Erregerwicklung (OB) führt zu einer separaten Stromversorgung (unabhängiger OB), werden leistungsstarke DFTs in der Regel durchgeführt, um es bequemer zu machen, den Erregerstrom einzustellen (um die Drehzahl zu ändern). Entsprechend ihrer Eigenschaften ist DPT mit einem unabhängigen OB nahezu identisch mit DPT mit OB, das parallel zur Ankerwicklung geschaltet ist.

Parallele Anregung von DPT

Das Prinzip des Betriebs des Gleichstrommotors der parallelen Erregung wird durch seine mechanische Charakteristik bestimmt, d.h. Die Abhängigkeit der Drehzahl auf das Lastmoment auf der Welle. Bei einem solchen Motor beträgt die Geschwindigkeitsänderung während des Übergangs von der Leerlaufdrehung auf das Nennlastmoment 2 bis 10%. Solche mechanischen Eigenschaften werden als starr bezeichnet.

So bestimmt das Prinzip des Gleichstrommotors mit Parallelerregung seine Anwendung in Antrieben mit konstanter Drehzahl mit einem großen Bereich der Laständerung. Allerdings ist es auch weit verbreitet in einem einstellbaren variablen Geschwindigkeitsantrieb verwendet. Um seine Geschwindigkeit zu regeln, kann eine Änderung sowohl des Ankerstroms als auch des Erregerstroms angewendet werden.

Aufeinanderfolgende Erregung der DFT

Das Funktionsprinzip des Gleichstrommotors der Serienerregung, sowie parallel, wird durch seine mechanische Charakteristik bestimmt, die in diesem Fall weich ist, weil Die Motordrehzahl variiert erheblich bei Änderungen der Last. Wo ist der vorteilhafteste, um einen solchen Gleichstrommotor zu verwenden? Das Funktionsprinzip des Traktionsmotors, dessen Geschwindigkeit bei der Überwindung der Zusammensetzung der Aufzüge abnehmen und bei der Bewegung entlang der Ebene zum Nennwert zurückkehren muss, entspricht voll und ganz den Eigenschaften des DCT mit dem OB, die mit der Ankerwicklung in Reihe geschaltet sind. Daher ist eine Vielzahl von elektrischen Lokomotiven mit solchen Geräten auf der ganzen Welt ausgestattet.

Das Funktionsprinzip des Gleichstrommotors mit Serienerregung wird auch durch Traktionsmotoren mit pulsierendem Strom realisiert, die in der Tat das gleiche DPT mit einem sequentiellen OB sind, aber speziell für die Bearbeitung eines gleichgerichteten elektrischen Stroms bereits an Bord mit erheblichen Pulsationen ausgelegt sind.