De eerste rotatieelektrische machines is een gelijkstroommotor. Het werkingsprincipe is bekend sinds het midden van de vorige eeuw, en tot op de dag van vandaag blijven DC-motoren (DCM) een persoon trouw dienen en besturen ze veel nuttige machines en mechanismen.
Sinds de jaren 30 van de 19e eeuw, in hun ontwikkeling, hebben zeging door verschillende stadia. Feit is dat tot het verschijnen van machine-alternatoren aan het einde van de vorige eeuw de enige bron van elektriciteit een galvanische cel was. Daarom konden alle eerste elektromotoren alleen op gelijkstroom werken.
Wat was de eerste DC-motor? Het werkingsprincipe en het apparaat van motoren gebouwd in de eerste helft van de 19e eeuw was als volgt. Een expliciete poolinductor was een set stationaire permanente magneten of staafelektromagneten die geen gemeenschappelijk gesloten magnetisch circuit hadden. Een expliciet poolanker werd gevormd door verschillende afzonderlijke staafelektromagneten op een gemeenschappelijke as, in rotatie gedreven door afstotende krachten en aantrekkingskracht op de polen van de inductor. Hun typische vertegenwoordigers waren de motoren van W. Ricci (1833) en B. Jacobi (1834), uitgerust met mechanische stroomschakelaars in de ankerelektromagneten met bewegende contacten in het ankerwikkelingcircuit.
Wat was het principe van deze machine?De Jacobi DC-motor en zijn analogen hadden een pulserend elektromagnetisch moment. Gedurende de tijd dat de tegenoverliggende polen van het anker en de inductor naderden, bereikte onder invloed van de magnetische aantrekkingskracht het koppel van de motor snel een maximum. Vervolgens, met de positie van de ankerpolen tegenover de inductorpolen, onderbrak de mechanische schakelaar de stroom in de ankerelektromagneten. Het moment viel terug naar nul. Vanwege de traagheid van het anker en het aangedreven mechanisme kwamen de ankerpolen onder de polen van de inductor vandaan, op dit moment werd er een stroom van de tegenovergestelde richting naar hen toegevoerd vanaf de schakelaar, hun polariteit veranderde ook in het tegenovergestelde en de aantrekkingskracht naar de dichtstbijzijnde pool van de inductor werd vervangen door een afstotende kracht. Zo draaide de motor van Jacobi in opeenvolgende schokken.
In de staafelektromagneten van het motorankerDe Jacobi-stroom werd periodiek uitgeschakeld, het magnetische veld dat door hen werd gecreëerd, verdween en zijn energie werd omgezet in warmteverliezen in de wikkelingen. Zo vond de elektromechanische omzetting van de elektrische energie van de ankerstroombron (galvanische cel) in mechanische energie plaats met onderbrekingen. We hadden een motor nodig met een continue gesloten wikkeling, de stroom waarin hij constant zou stromen gedurende de hele werkingstijd.
En zo'n fuhtufn werd in 1860 gecreëerd door A. Pacinotti. Hoe verschilde de DC-motor van zijn voorgangers? Het werkingsprincipe en de structuur van de Pacinotti-engine zijn als volgt. Als anker gebruikte hij een stalen ring met spaken aan een verticale as. Tegelijkertijd had het anker geen uitgesproken palen. Het werd impliciet gepolariseerd.
Spoelen werden tussen de spaken van de ring gewikkeldankerwikkelingen, waarvan de uiteinden in serie waren verbonden met het anker zelf, en pieken werden gemaakt van de verbindingspunten van elke twee spoelen, verbonden met de collectorplaten langs de omtrek aan de onderkant van de motoras, waarvan het aantal gelijk was aan het aantal spoelen. De gehele ankerwikkeling was op zichzelf gesloten en de opeenvolgende verbindingspunten van de spoelen waren bevestigd aan de aangrenzende collectorplaten, waarlangs een paar stroomtoevoerrollen gleed.
Tussen de twee palen werd een ringanker geplaatststationaire elektromagneten van de inductor-stator, zodat de krachtlijnen van het door hen gecreëerde magnetische veld het buitenste cilindrische oppervlak van het motoranker onder de noordpool van excitatie binnendrongen, langs het ringvormige anker passeerden zonder in het binnenste gat te bewegen, en onder de zuidpool naar buiten gingen.
Wat was zijn werkingsprincipe? De Pacinotti DC-motor werkte op precies dezelfde manier als moderne DC-motoren.
In het magnetische veld van de pool van de inductor met een gegevenpolariteit was altijd een bepaald aantal geleiders van de ankerwikkeling met een stroom van een constante richting, en de richting van de ankerstroom onder verschillende polen van de inductor was tegengesteld. Dit werd bereikt door de huidige aanvoerrollen, die de rol van borstels spelen, in de ruimte tussen de polen van de inductor te plaatsen. Daarom vloeide de momentane ankerstroom in de wikkeling door de rol, de collectorplaat en de daaraan bevestigde aftakking, die zich ook in de ruimte tussen de polen bevond, stroomde vervolgens in tegengestelde richting langs de twee halve wikkelingstakken en stroomde uiteindelijk uit door de aftakking, de collectorplaat en de rol in de andere pool-tegen-pool. interval. In dit geval veranderden de ankerspoelen zelf onder de polen van de inductor, maar de richting van de stroom daarin bleef ongewijzigd.
Volgens de wet van Ampere, voor elke spoelgeleidereen anker met stroom, gelegen in het magnetische veld van de pool van de inductor, oefende een kracht uit, waarvan de richting wordt bepaald door de bekende regel van de "linkerhand". Met betrekking tot de motoras creëerde deze kracht een koppel, en de som van de momenten van al deze krachten geeft het totale DCT-koppel, dat zelfs met meerdere collectorplaten bijna constant is.
Zoals vaak is gebeurd in de geschiedenis van de wetenschap entechnologie, werd de uitvinding van A. Pacinotti niet toegepast. Het werd 10 jaar lang vergeten, totdat het in 1870 onafhankelijk werd herhaald door de Frans-Duitse uitvinder Z. Gramm in een soortgelijk ontwerp van een gelijkstroomgenerator. Bij deze machines was de rotatieas al horizontaal, met behulp van koolborstels die over collectorplaten van een bijna modern ontwerp schoven. In de jaren 70 van de 19e eeuw was het principe van omkeerbaarheid van elektrische machines al goed bekend en werd de Gram-machine gebruikt als generator en DC-motor. Het werkingsprincipe is hierboven al beschreven.
Ondanks het feit dat de uitvinding van het ringvormige ankerwas een belangrijke stap in de ontwikkeling van DCT, de wikkeling ervan (Gramm-wikkeling genoemd) had een aanzienlijk nadeel. In het magnetische veld van de polen van de inductor waren er alleen die geleiders (actieve genoemd) die onder deze polen op het buitenste cilindrische oppervlak van het anker lagen. Op hen werden de magnetische krachten van Ampere toegepast, waardoor een koppel ontstond ten opzichte van de as van de motor. Dezelfde inactieve geleiders die door het gat van het ringvormige anker gingen, namen niet deel aan het creëren van het moment. Ze voerden alleen nutteloos elektriciteit af in de vorm van warmteverlies.
Elimineer dit nadeel van het ringankeropgevolgd in 1873 door de beroemde Duitse elektrotechnisch ingenieur F. Gefner-Altenek. Hoe functioneerde zijn DC-motor? Het werkingsprincipe, de structuur van zijn inductor-stator is hetzelfde als die van een motor met een ringwikkeling. Maar het ontwerp van het anker en de wikkeling zijn veranderd.
Gefner-Alteneck merkte dat de richtingde ankerstroom die vloeit van de stationaire borstels in de geleiders van de Gramm-wikkeling onder de aangrenzende veldpolen is altijd tegengesteld, d.w.z. ze kunnen worden opgenomen in de windingen van een spoel op het cilindrische buitenoppervlak met een breedte (spoed) gelijk aan de poolverdeling (een deel van de ankeromtrek per veldpool).
In dit geval is het gat in deringanker, en het verandert in een stevige cilinder (trommel). Deze wikkeling en het anker zelf worden trommel genoemd. Het koperverbruik daarin met hetzelfde aantal actieve geleiders is veel minder dan in de gramwikkeling.
In de machines van Gramm en Gefner-Alteneck, het oppervlakhet anker was glad en de geleiders van de wikkeling bevonden zich in de opening tussen het en de polen van de inductor. In dit geval bereikte de afstand tussen het concave cilindrische oppervlak van de excitatiepool en het convexe oppervlak van het anker enkele millimeters. Om de vereiste grootte van het magnetische veld te creëren, was het daarom vereist om excitatiespoelen met een grote magnetomotorische kracht (met een groot aantal windingen) te gebruiken. Hierdoor zijn de afmetingen en het gewicht van de motoren aanzienlijk toegenomen. Bovendien waren de spoelen op het gladde oppervlak van het anker moeilijk te bevestigen. Maar wat kan er worden gedaan? Om op een geleider te kunnen werken met een stroom van de Ampere-kracht, moet deze inderdaad worden geplaatst op punten in de ruimte met een groot magnetisch veld (met een grote magnetische inductie).
Het bleek dat dit niet nodig is.De Amerikaanse uitvinder van het machinegeweer H. Maxim toonde aan dat als het trommelanker getand is en de trommelwikkelspoelen in de groeven tussen de tanden worden geplaatst, de opening tussen het en de veldpolen kan worden teruggebracht tot fracties van een millimeter. Dit maakte het mogelijk om de grootte van de excitatiespoelen aanzienlijk te verkleinen, maar het DCT-koppel nam helemaal niet af.
Hoe werkt zo'n constante motor?actueel? Het werkingsprincipe is gebaseerd op het feit dat met een tandwielanker de magnetische kracht niet wordt uitgeoefend op de geleiders in de groeven (er is praktisch geen magnetisch veld in), maar op de tanden zelf. In dit geval is de aanwezigheid van stroom in de geleider in de groef van doorslaggevend belang voor het optreden van deze kracht.
Een andere grote verbetering is aangebrachtde beroemde uitvinder T. Edisson. Wat heeft hij aan de DC-motor toegevoegd? Het werkingsprincipe is ongewijzigd gebleven, maar het materiaal waaruit het anker is gemaakt, is veranderd. In plaats van de voormalige massieve, werd het bekleed met dunne staalplaten die elektrisch van elkaar waren geïsoleerd. Dit maakte het mogelijk om de hoeveelheid wervelstromen (Foucault-stromen) in het anker te verminderen, wat het rendement van de motor verhoogde.
In het kort kan het als volgt worden geformuleerd:wanneer de ankerwikkeling van een aangeslagen motor is verbonden met een stroombron, ontstaat daarin een grote stroom, de startstroom genoemd en meerdere keren de nominale waarde overschreden. Bovendien is onder de excitatiepolen met tegengestelde polariteit de richting van de stromen in de geleiders van de ankerwikkeling ook tegengesteld, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Volgens de "linkerhand" regel worden deze geleiders beïnvloed door de Ampere-krachten, die tegen de klok in zijn gericht en het anker in rotatie slepen. In dit geval wordt een elektromotorische kracht (back-EMF) geïnduceerd in de geleiders van de ankerwikkeling, gericht tegen de spanning van de stroombron. Naarmate het anker versnelt, groeit ook de back-EMF in zijn wikkeling. Dienovereenkomstig neemt de ankerstroom af vanaf de startstroom tot een waarde die overeenkomt met het werkpunt op de motorkarakteristiek.
Om de rotatiesnelheid van het anker te verhogen, heb je nodigofwel de stroom in de wikkeling verhogen, of de tegen-EMF erin verminderen. Dit laatste kan worden bereikt door de grootte van het magnetische excitatieveld te verkleinen door de stroom in de excitatiewikkeling te verminderen. Deze methode om de snelheid van de DCT te regelen is wijdverbreid.
Met de aansluiting van de draden van de bekrachtigingswikkeling (OF)naar een afzonderlijke voeding (onafhankelijke OB), worden meestal krachtige DCT's uitgevoerd om het gemakkelijker te maken om de grootte van de excitatiestroom te regelen (om de rotatiesnelheid te veranderen). In termen van hun eigenschappen zijn DCT's met een onafhankelijke OF praktisch vergelijkbaar met DCT's met een OF, parallel verbonden met de ankerwikkeling.
Het werkingsprincipe van een DC-motorparallelle excitatie wordt bepaald door zijn mechanische eigenschappen, d.w.z. de afhankelijkheid van de rotatiesnelheid van het belastingsmoment op zijn as. Voor een dergelijke motor is de snelheidsverandering tijdens de overgang van stationair draaien naar het nominale belastingskoppel van 2 tot 10%. Dergelijke mechanische eigenschappen worden stijf genoemd.
Dus het principe van de motorgelijkstroom met parallelle bekrachtiging bepaalt het gebruik ervan in aandrijvingen met een constante rotatiesnelheid met een breed scala aan belastingsveranderingen. Het wordt echter ook veel gebruikt in frequentieregelaars met variabele snelheid. In dit geval kan om de snelheid te regelen een verandering in zowel de ankerstroom als de excitatiestroom worden gebruikt.
Het werkingsprincipe van een DC-motorsequentiële excitatie, evenals parallel, wordt bepaald door de mechanische eigenschappen, die in dit geval zacht zijn, omdat het motortoerental varieert sterk met veranderingen in de belasting. Waar is het meest winstgevend om zo'n DC-motor te gebruiken? Het werkingsprincipe van een spoorwegtractiemotor, waarvan de snelheid zou moeten afnemen wanneer de trein bergopwaarts klimt en terugkeert naar de nominale waarde bij het verplaatsen op een vlakte, komt volledig overeen met de kenmerken van een DC-motor met een OB, in serie verbonden met de ankerwikkeling. Daarom is een aanzienlijk deel van de elektrische locomotieven over de hele wereld uitgerust met dergelijke apparaten.
Het werkingsprincipe van een DC-motor metsequentiële excitatie implementeert ook pulserende huidige tractiemotoren, die in feite dezelfde DCT's zijn met een sequentiële OB, maar speciaal ontworpen om te werken met een stroom die al gelijkgericht is aan boord van een elektrische locomotief, die aanzienlijke pulsaties heeft.
