Как работи една постоянна токова машина?

Как работи една постоянна токова машина?

А DC двигател е едно от най-важните изобретения в историята на електроинженерството, преобразуваща електрическата енергия на постоянен ток в механична енергия. От индустриални машини и транспортни системи до битови електрически уреди и роботика, тя е ключов компонент в безброй устройства. Разбирането на начина, по който една DC двигател работи, е от съществено значение за инженери, техници и всеки, който се интересува от електромеханични системи.

Тази статия обяснява принципите на работа на една постоянна токова машина, нейните компоненти, видове, приложения, както и науката, стояща зад нейната работа. Ще разгледаме също така как се генерира въртящият момент, ролята на комутацията и как се регулират скоростта и посоката на въртене.

Основен принцип на работа

Основният принцип на работа на електродвигател с постоянен ток се основава на електромагнетизъм . Когато проводник, по който тече ток, се намира в магнитно поле, той изпитва механична сила. Това е описано от правилото на лявата ръка на Флеминг, което гласи:

• The палец показва посоката на силата (движението).

• The първият пръст показва посоката на магнитното поле (от север към юг).

• The вторият пръст показва посоката на тока (от положително към отрицателно).

Чрез определена конфигурация на проводника вътре в двигателя, тази сила може да се използва за непрекъснато въртене.

Основни компоненти на електродвигател с постоянен ток

Якор (ротор)

Въртящата се част на двигателя, която провежда ток през намотките. Арматурата е монтирана на оста и взаимодейства с магнитното поле, за да генерира въртящ момент.

Комутатор

Сегментиран меден пръстен, свързан с намотките на якоря. Неговата роля е да обръща посоката на тока във всяка якорна бобина при въртене, осигурявайки винаги еднопосочно производство на въртящ момент.

Щетки

Направени обикновено от въглерод или графит, четките осигуряват електрически контакт между стационарния източник на захранване и въртящия се колектор.

Полюсни намотки или постоянни магнити

Те създават стационарното магнитно поле, в което се върти якорят. В някои конструкции се използват електромагнити; в други – постоянни магнити осигуряват полето.

Лагери

Поддържат въртящия се вал, намаляват триенето и осигуряват гладко движение.

Корпус (рамка)

Външният кожух, който държи компонентите заедно, защитава ги от повреди и може също да допринася за отвеждане на топлината.

Стъпка по стъпка работен процес

1. Свързване на източник на електроенергия
   Прав ток се подава към клемите на двигателя, като положителният и отрицателният проводник са свързани към четките.

2. Протичане на ток през якоря
   Четките предават електрически ток към колектора, който го насочва към намотките на якоря.

3. Взаимодействие на магнитните полета
   Токът в якорните намотки генерира собствено магнитно поле. То взаимодейства с неподвижното магнитно поле от полюсните намотки или постоянни магнити.

4. Генериране на сила
   Взаимодействието между двете магнитни полета създава сила върху якорните проводници, което кара ротора да се върти.

5. Комутация
   Докато роторът се върти, колекторът обръща посоката на тока в якорните намотки всеки половин оборот. Това осигурява, че генерираният въртящ момент остава в една и съща посока на въртене.

6. Непрекъснато връщане
   Процесът се повтаря непрекъснато, докато се подава захранващо напрежение, което осигурява непрекъснато механично въртене.

Роля на комутацията в една постоянна токова моторна система

Комутирането е критично за поддържането на гладко въртене. Без превръщане на тока в якорната намотка в правилния момент, въртящият момент би променил посоката си и двигателят би спрял или задръстил. При колекторни двигатели, механичното комутиране се извършва от четките и комутаторните сегменти. В безчеткови конструкции, комутирането се извършва от електронни вериги.

Типове постоянни двигатели и разликите в работата им

Последователно възбуждане на постоянен ток

• Полевата намотка е свързана последователно с якорната намотка.

• Създава висок стартов въртящ момент, което го прави подходящ за приложения като кранове и електрически влакове.

• Скоростта се променя значително при промяна на натоварването.

Шунтово възбуждане на постоянен ток

• Полевата намотка е свързана успоредно с якорната намотка.

• Осигурява добро регулиране на скоростта при променливо натоварване.

• Често използван в индустриални машини, изискващи стабилна работа.

Компаундно намотан DC двигател

• Комбинира серийни и шънт намотки.

• Предлага балансиране между висок стартов въртящ момент и добра скоростна регулация.

Постоянен магнетен dc мотор

• Използва постоянни магнити за полето вместо намотки.

• По-прост дизайн, висока ефективност и компактни размери.

• Използва се в малки уреди, играчки и автомобилни приложения.

Безчестивият дисков двигател (BLDC)

• Използва електронна комутация вместо четки.

• По-ефективен, по-дълъг живот и по-малко поддръжка.

• Популярен в електрически превозни средства, дронове и прецизни инструменти.

Как един DC двигател произвежда въртящ момент

Въртящият момент е въртеливата сила, произведена от двигателя. При постоянен ток (DC) двигателя, въртящият момент зависи от:

• Силата на магнитното поле.

• Количеството ток в якорните намотки.

• Броят на активните проводници в магнитното поле.

Основното уравнение за въртящ момент при двигател с постоянен ток е:

T = k × Φ × Ia

Където:

• T = Въртящ момент

• k = Константа на двигателя

• φ = Магнитен поток на полюс

• Ия = Якорен ток

Увеличаването на арматурния ток или магнитния поток ще увеличи въртящия момент.

Контрол на скоростта в двигателя с постоянен ток

Скоростта може да се контролира чрез настройка:

• Арматурно напрежение : По-високото напрежение увеличава скоростта.

• Полеви ток : Увеличаването на полевия ток усилва магнитното поле и намалява скоростта; намаляването му увеличава скоростта.

• Управление чрез PWM : Модулацията на импулсната ширина позволява прецизни и ефективни регулировки на скоростта.

Контрол на посоката

Посоката на въртене на двигателя с постоянен ток може да се обърне, като се промени полярността на арматурния източник или на полевия източник (но не и на двата едновременно). Това често се използва при обратими задвижвания като електрически въртели и индустриални транспортьори.

Фактори за ефективност

Ефективността на един постоянен двигател зависи от минимизирането на загубите, включително:

• Електрически загуби в намотките (загуби от съпротивление).

• Механични загуби в лагерите и триенето.

• Ядрени загуби вследствие на магнитен хистерезис и вихрови токове.

Безчетковите двигатели обикновено предлагат по-висока ефективност, защото елиминират триенето от четките и намаляват електрическото дъговане.

Предимства на постоянните двигатели в практическата употреба

• Точно и гладко регулиране на скоростта.

• Висок стартов въртящ момент за тежки натоварвания.

• Бърз отговор на командните сигнали.

• Съвместимост с източници на захранване от батерии.

Ограничения за вземане предвид

• Изисквания за поддръжка на четките.

• По-кратък живот при високи натоварвания, ако поддръжката е незадоволителна.

• Електрически смущения от четки и комутатори.

Приложения на ДС мотори

• Транспорт : Електрически коли, влакове и трамваи.

• Промишлена машинария : Валцови уредби, транспортьори и асансьори.

• Автоматизация : Роботи, CNC машини и изпълнителни механизми.

• Потребителска електроника : Електрически инструменти, вентилатори и битови уреди.

Бъдещето на технологията на двигателя с постоянен ток

С разрастването на системите за възобновяема енергия, електрическата мобилност и напредналата автоматизация, двигателят с постоянен ток остава актуален. Подобренията в материали, електронни регулатори и производствени методи увеличават ефективността, намаляват поддръжката и разширяват областите на приложение. Особено предвидливо е бъдещето на безчетковите двигатели с постоянен ток, тъй като те са по-ефективни и надеждни.

Заключение

Един постоянен двигател работи чрез преобразуване на електрическа енергия от източник на постоянен ток в механично въртене чрез взаимодействието на магнитни полета и проводници с ток. Съгласуваната работа на неговите компоненти — якор, колектор, четки и полюсна система — осигурява непрекъснато генериране на въртящ момент. Независимо дали е с четки или без четки, способността на постоянния двигател да осигурява прецизно регулиране на скоростта, висок въртящ момент и адаптивност го прави незаменим в много индустрии.

Често задавани въпроси

Каква е основната функция на постоянен двигател?

Основната му функция е да преобразува електрическата енергия на постоянен ток в механична въртелива енергия.

Как се регулира скоростта на постоянен двигател?

Чрез регулиране на напрежението на якора, тока в полюсната система или чрез електронен PWM контрол.

Защо на постоянния двигател му е необходим колектор?

Колекторът обръща посоката на тока в намотките на якора в точно определен момент, за да се осигури непрекъснато въртене в една и съща посока.

Може ли постоянен двигател да работи без четки?

Да, в безчеткани постояннотокови двигатели електронни схеми заменят четките за комутация.

Какво определя въртящия момент на постояннотоков двигател?

Въртящият момент се определя от магнитния поток, якорния ток и конструкцията на двигателя.