Механическая характеристика двигателя постоянного тока: устройство, описание, принцип работы, фото

Механическая характеристика двигателя постоянного тока показывает зависимость частоты вращения вала двигателя от момента на этом валу. Она позволяет оценить основные свойства двигателя и определить оптимальные режимы его работы.

Общее описание механических характеристик двигателей постоянного тока

Механическая характеристика двигателя постоянного тока представляет собой графическую или аналитическую зависимость частоты вращения вала двигателя n от момента М, приложенного к этому валу:

Эта характеристика позволяет определить:

• Предельную и номинальную частоты вращения вала
• Пусковой момент двигателя
• Диапазон регулирования частоты вращения
• Устойчивость частоты вращения к колебаниям нагрузки

На практике механическую характеристику используют:

1. При выборе двигателя для конкретного механизма
2. Для расчета и анализа режимов работы привода
3. При настройке систем регулирования скорости
4. Для диагностики неисправностей двигателя

Виды механических характеристик двигателей постоянного тока

Естественная характеристика соответствует работе двигателя на номинальное напряжение без добавочных сопротивлений. Она имеет наименьшую крутизну и жесткость.

Реостатная характеристика получается при подключении добавочного сопротивления в цепь якоря. Такая характеристика более пологая и мягкая.

По жесткости различают:

• Жесткие характеристики с небольшим изменением скорости при изменении нагрузки
• Мягкие характеристики со значительным изменением скорости при изменении нагрузки

По форме кривой бывают:

• Линейные характеристики - прямая линия
• Нелинейные характеристики - кривая линия

Наиболее жесткой и линейной является естественная характеристика. Реостатные характеристики обычно более мягкие и нелинейные.

Зависимость характеристики от способа возбуждения двигателя постоянного тока

Форма механической характеристики двигателя постоянного тока зависит от способа возбуждения:

Характеристика двигателя независимого возбуждения

У двигателей независимого возбуждения механическая характеристика линейная. Она смещается параллельно себе при изменении напряжения якорной цепи или магнитного потока.

Характеристика двигателя последовательного возбуждения

У двигателей последовательного возбуждения характеристика нелинейна, имеет изогнутый вид. Эти двигатели обладают мягкой регулировочной характеристикой и большим пусковым моментом.

Характеристика двигателя параллельного возбуждения

Двигатели параллельного возбуждения имеют линейную жесткую механическую характеристику, схожую с двигателями независимого возбуждения.

Таким образом, характеристика двигателя существенно зависит от схемы включения обмотки возбуждения. Это необходимо учитывать при выборе двигателя и расчете режимов его работы.

Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока

Общее уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока имеет вид:

где:

• n - частота вращения вала двигателя, об/мин
• M - момент на валу двигателя, Н*м
• C_e - конструктивный коэффициент двигателя
• U - напряжение питания якорной цепи, В
• I_я - ток якорной цепи, А
• R_я - сопротивление якорной цепи, Ом
• Ф - магнитный поток двигателя, Вб

Это уравнение позволяет рассчитать частоту вращения в зависимости от момента на валу, а также проанализировать влияние различных параметров двигателя на его механическую характеристику.

Построение механической характеристики двигателя постоянного тока

Для построения механической характеристики двигателя постоянного тока необходимы следующие исходные данные:

• Тип двигателя (независимое, последовательное, параллельное или смешанное возбуждение)
• Номинальное напряжение якорной цепи U_H
• Номинальный ток якоря I_яХ
• Сопротивление цепи якоря R_я
• Число полюсов двигателя
• Конструктивная постоянная C_e

С их использованием можно пошагово построить характеристику:

1. Задаться рядом значений моментов на валу M
2. Рассчитать по формуле токи якоря I_я для заданных M
3. Вычислить частоты вращения n, подставляя I_я в уравнение
4. Занести пары значений {M, n} в таблицу
5. Построить график зависимости n(M) в координатной плоскости

Полученная таким образом кривая является искомой механической характеристикой двигателя.

Пример построения характеристики

Дано: двигатель последовательного возбуждения с номинальным напряжением U_H = 220 В, I_яХ = 10 А, R_я = 0,5 Ом, 2 пары полюсов, C_e = 0,06.

Путем расчетов были получены следующие точки характеристики:

Построенная по этим данным кривая представляет собой механическую характеристику рассматриваемого двигателя.

Влияние параметров двигателя на механическую характеристику

На механическую характеристику двигателя постоянного тока оказывают влияние такие его параметры, как:

• Напряжение питания якорной цепи
• Величина магнитного потока
• Сопротивления обмоток якоря и возбуждения

Рассмотрим их влияние более подробно.

Влияние напряжения питания

При увеличении напряжения питания якорной цепи U характеристика двигателя независимого возбуждения смещается параллельно вверх. Частота вращения при одном и том же моменте возрастает.

Влияние магнитного потока

С увеличением магнитного потока двигателя частота вращения при постоянном заданном моменте уменьшается. Кроме того, возрастает пусковой момент.

Применение механических характеристик на практике

На практике механические и рабочие характеристики двигателей постоянного тока используют для решения следующих задач:

• Расчет и анализ реальных режимов работы двигателя в составе привода
• Выбор оптимального двигателя для конкретного механизма

Знание характеристик позволяет грамотно подобрать двигатель по мощности и частоте вращения, исключить недопустимые режимы его работы.

Измерение параметров механической характеристики двигателя постоянного тока

Для экспериментального определения механической характеристики двигателя постоянного тока проводят специальные испытания с использованием следующих приборов и оборудования:

• Вольтметр и амперметр для измерения напряжения и тока якорной цепи
• Тахометр для измерения частоты вращения вала
• Динамометр или весы для измерения момента нагрузки
• Реостаты и автотрансформатор для регулирования напряжения
• Нагрузочное устройство (генератор постоянного тока)

Порядок проведения испытаний

1. Собрать схему испытаний с контрольно-измерительными приборами
2. Установить номинальное напряжение якорной цепи
3. Плавно увеличивать момент нагрузки и замерять частоту вращения
4. Повторить испытания при других значениях напряжения U
5. Построить механическую характеристику n(M) по результатам

При испытаниях также контролируют токи, мощность и КПД двигателя.

Расчет механической характеристики двигателя постоянного тока

Помимо экспериментального метода, механическую характеристику можно также рассчитать аналитически, графоаналитически или численными методами.

Аналитические методы

Основаны на использовании уравнений и формул для расчета частоты вращения и момента. Отличаются простотой реализации, однако имеют погрешности из-за допущений.

Численные методы

Позволяют наиболее точно рассчитывать характеристику, учитывая множество факторов - но требуют значительных вычислительных затрат и квалификации.

Факторы, влияющие на механическую характеристику двигателя постоянного тока

На характеристики двигателя постоянного тока влияют такие факторы:

• Конструктивные параметры двигателя
• Технология изготовления
• Условия эксплуатации
• Внешние воздействия

Конструктивные факторы

Тип магнитопровода, параметры обмоток, вентиляция, подшипники и другие конструктивные решения влияют на характеристику.

Типичные неисправности двигателя постоянного тока

Неисправности двигателя постоянного тока могут проявляться в виде аномалий механической характеристики. К ним относятся:

• Нелинейности, выбоины в кривой
• Уменьшение предельной и пусковой частоты вращения
• Неустойчивость частоты при изменении нагрузки

Причины возникновения неисправностей

Неисправности двигателей постоянного тока могут возникать по следующим причинам:

• Нарушения изоляции обмоток
• Увеличение переходного сопротивления в местах контакта
• Механические дефекты коллектора и подшипников
• Нарушения симметрии магнитной цепи

Диагностика неисправностей по механической характеристике

Анализируя вид характеристики двигателя, можно локализовать места дефектов:

• Неисправности обмотки якоря приводят к резкому падению частоты вращения при увеличении нагрузки
• Проблемы в цепи возбуждения вызывают уменьшение наклона характеристики
• Дефекты механических узлов сказываются на стабильности частоты вращения

Устранение характерных неисправностей

Для восстановления нормальной работы двигателя постоянного тока проводят следующие ремонтные работы:

• Замена изношенного коллектора и щеток
• Ремонт или замена обмоток якоря и полюсов
• Восстановление симметрии воздушного зазора
• Шлифовка и притирка коллектора

Профилактика неисправностей

Для предотвращения выхода двигателя постоянного тока из строя необходимо:

• Соблюдать параметры питающей сети и режимы работы
• Проводить плановое техобслуживание и осмотры
• Своевременно обнаруживать и устранять возникающие дефекты

Перспективы развития двигателей постоянного тока

Несмотря на широкое распространение асинхронных электродвигателей, двигатели постоянного тока по-прежнему актуальны и имеют перспективы развития в следующих направлениях:

Повышение энергоэффективности и КПД

Совершенствование магнитопровода, изоляционных материалов, конструкции коллектора позволит снизить потери и повысить КПД двигателей постоянного тока.

Увеличение удельной мощности

Применение высококачественной электротехнической стали, меди и алюминия даст возможность нарастить удельную мощность двигателей в расчете на единицу массы и объема.

Расширение функциональных возможностей

Внедрение систем управления на базе силовой электроники, датчиков, микроконтроллеров открывает путь к "интеллектуальным" двигателям с расширенными функциями.

Применение новых материалов и технологий

Использование инновационных материалов, аддитивных и нанотехнологий при производстве позволит улучшить характеристики и снизить стоимость двигателей постоянного тока.

Разработка специализированных конструкций

Создание двигателей постоянного тока для решения узкоспециализированных задач (например, для электромобилей) даст дополнительный импульс развитию этого класса электрических машин.