Jak funguje stejnosměrný motor?

Jak funguje stejnosměrný motor?

A Stejnosměrný motor je jedním z nejdůležitějších vynálezů v historii elektrotechniky, který přeměňuje elektrickou energii stejnosměrného proudu na energii mechanickou. Od průmyslových strojů a dopravních systémů až po domácí spotřebiče a robotiku, je klíčovou součástí bezpočtu zařízení. Porozumění tomu, jak Stejnosměrný motor funguje, je zásadní pro inženýry, techniky a všechny, kdo se zajímají o elektromechanické systémy.

Tento článek vysvětluje principy fungování stejnosměrného motoru, jeho součásti, typy a použití, stejně jako vědecké základy jeho činnosti. Také se zabýváme způsobem generování kroutícího momentu, rolí komutace a tím, jak je řízena rychlost a směr otáčení.

Základní princip činnosti

Základní princip činnosti stejnosměrného motoru je založen na elektromagnetismus . Když je vodič, kterým prochází elektrický proud, umístěn v magnetickém poli, působí na něj mechanická síla. Tato síla je popsána Flemingovým pravidlem levé ruky, které zní:

• The palec představuje směr síly (pohybu).

• The ukazováček představuje směr magnetického pole (od severu k jihu).

• The prostředníček představuje směr proudu (z kladného pólu k zápornému).

Uspořádáním vodiče v určité konfiguraci uvnitř motoru lze tuto sílu využít k vytvoření spojité rotace.

Hlavní komponenty stejnosměrného motoru

Kotva (rotor)

Rotující část motoru, která vede proud prostřednictvím vinutí. Kotva je nasazena na hřídel a vzájemně působí s magnetickým polem pro generování točivého momentu.

Kolektor

Segmentovaný měděný kroužek připojený k vinutí kotvy. Jeho úkolem je obrátit směr proudu v každé cívce kotvy během otáčení, čímž zajistí, že točivý moment je vždy vytvářen v stejném směru.

Kartáče

Obvykle vyrobené z uhlíku nebo grafitu, kartáče udržují elektrický kontakt mezi stacionárním zdrojem napájení a rotujícím komutátorem.

Budicí vinutí nebo trvalé magnety

Vytvářejí stacionární magnetické pole, ve kterém se kotva otáčí. V některých konstrukcích se používají elektromagnety; v jiných poskytují pole trvalé magnety.

Ložiska

Podporují rotující hřídel, snižují tření a umožňují hladký pohyb.

Kostra (Rám)

Vnější skříň, která drží komponenty pohromadě, chrání je před poškozením a může také pomáhat při odvádění tepla.

Pracovní proces krok za krokem

1. Připojení zdroje napájení
   Stejnosměrný proud je přiváděn do svorek motoru, přičemž kladný a záporný vodič jsou připojeny ke kartáčům.

2. Proud procházející kotvou
   Kartáče přenášejí elektrický proud do komutátoru, který jej následně přesměruje do vinutí kotvy.

3. Interakce magnetického pole
   Proud v kotvovém vinutí generuje vlastní magnetické pole. Toto pole interaguje se stacionárním magnetickým polem pocházejícím z budicího vinutí nebo trvalých magnetů.

4. Vznik síly
   Interakce obou magnetických polí vyvolá sílu působící na vodiče kotvy, čímž se rotor uvede do pohybu.

5. Komutace
   Při otáčení rotoru obrací komutátor směr proudu v kotvovém vinutí každých půl otáčky. Tím je zajištěno, že vytvořený točivý moment zůstává ve stejném rotačním směru.

6. Neustálá rotace
   Tento proces se neustále opakuje, pokud je přivedeno napájecí napětí, a zajišťuje tak nepřetržité mechanické otáčení.

Role komutace v stejnosměrném motoru

Komutace je klíčová pro udržení hladké rotace. Pokud by se proud v kotvovém vinutí neobrátil ve správném okamžiku, směr točivého momentu by se změnil a motor by se zastavil nebo sebou trhal. U komutátorových motorů je komutace prováděna mechanicky pomocí kartáčů a komutátoru. U bezkomutátorových motorů zajišťuje komutaci elektronický obvod.

Typy stejnosměrných motorů a rozdíly v jejich činnosti

Sériově buzený stejnosměrný motor

• Buzení je zapojeno do série s vinutím kotvy.

• Vytváří vysoký rozběhový točivý moment, což ho činí vhodným pro použití například u jeřábů a elektrických vlaků.

• Otáčky se výrazně mění se změnou zatížení.

Derivační stejnosměrný motor

• Buzení je zapojeno paralelně k vinutí kotvy.

• Zajišťuje dobré nastavení otáček při různém zatížení.

• Běžně používán u průmyslových strojů vyžadujících stálý provoz.

Složený stejnosměrný motor s buzením

• Kombinuje sériové a bočníkem buzené vinutí.

• Nabízí rovnováhu mezi vysokým rozběhovým momentem a dobrým řízením otáček.

Permanentskou magnetickou DC motorem

• Používá k vytvoření magnetického pole permanentní magnety namísto vinutí.

• Jednodušší konstrukce, vysoká účinnost a kompaktní rozměry.

• Používá se v malých spotřebičích, hračkách a automobilovém průmyslu.

Černé proudy

• Používá elektronickou komutaci místo kartáčů.

• Vyšší účinnost, delší životnost a nižší nároky na údržbu.

• Často používán v elektrických vozidlech, dronech a přesných měřicích přístrojích.

Jak stejnosměrný motor vytváří točivý moment

Moment je rotační síla, kterou vytváří motor. U stejnosměrného motoru závisí moment na:

• Síle magnetického pole.

• Množství proudu v kotvovém vinutí.

• Počtu aktivních vodičů v magnetickém poli.

Základní rovnice momentu pro stejnosměrný motor je:

M = k × Φ × Ia

Kde:

• T = Moment

• k = Motorová konstanta

• φ = Magnetický tok na pól

• Ie = Kotvový proud

Zvýšení proudu kotvy nebo magnetického toku zvýší točivý moment.

Řízení otáček stejnosměrného motoru

Otáčky lze řídit úpravou:

• Napětí kotvy : Vyšší napětí zvyšuje otáčky.

• Budicí proud : Zvýšení budicího proudu posiluje magnetické pole a snižuje otáčky; jeho snížení otáčky zvyšuje.

• Řízení PWM : Řízení šířky pulzu umožňuje přesnou a efektivní úpravu otáček.

Řízení směru

Směr otáčení stejnosměrného motoru lze změnit přepolením buď napájení kotvy, nebo napájení budicího vinutí (nikoli však obou současně). Toto je běžně používáno u reverzních pohonů, jako jsou elektrické vrátky nebo průmyslové dopravníky.

Faktory ovlivňující účinnost

Účinnost stejnosměrného motoru závisí na minimalizaci ztrát, včetně:

• Elektrické ztráty ve vinutí (ztráty odporem).

• Mechanické ztráty v ložiscích a tření.

• Ztráty v jádře způsobené magnetickou hysterezí a vířivými proudy.

Bezkomutátorové konstrukce obecně poskytují vyšší účinnost, protože odstraňují tření komutátoru a snižují elektrické jiskření.

Výhody stejnosměrných motorů v praktickém použití

• Přesné a hladké řízení otáček.

• Vysoký rozběhový točivý moment pro těžké zatížení.

• Rychlá odezva na řídicí signály.

• Kompatibilita s bateriovými zdroji energie.

Omezení k zvážení

• Údržba u štětkových konstrukcí.

• Při špatné údržbě kratší životnost v podmínkách vysokého zatížení.

• Elektrický šum ze štětek a komutátorů.

Aplikace DC motorů

• Doprava : Elektrická vozidla, vlaky a tramvaje.

• Průmyslové stroje : Válcovací stolky, dopravníky a výtahy.

• Automatizace : Robotika, CNC stroje a akční členy.

• Spotřební elektronika : Elektrické nářadí, ventilátory a domácí spotřebiče.

Budoucnost stejnosměrných motorů

S nástupem obnovitelných zdrojů energie, elektrické mobility a pokročilé automatizace zůstává stejnosměrný motor stále aktuální. Zlepšení materiálů, elektronických řídicích systémů a výrobních metod zvyšují výkon, snižují nároky na údržbu a rozšiřují oblasti využití. Zejména bezkartáčové stejnosměrné motory budou pravděpodobně dominovat budoucím konstrukcím díky své účinnosti a spolehlivosti.

Závěr

Stejnosměrný motor funguje přeměnou elektrické energie ze zdroje stejnosměrného proudu na mechanickou rotaci prostřednictvím interakce magnetických polí a vodičů protékaných proudem. Koordinovaný provoz jeho komponentů – kotvy, komutátoru, kartáčů a budicího systému – zajišťuje trvalou generaci točivého momentu. Bez ohledu na konfiguraci s kartáči nebo bez kartáčů zůstává stejnosměrný motor díky své schopnosti přesné regulace otáček, vysokému točivému momentu a přizpůsobitelnosti nepostradatelný v mnoha průmyslových odvětvích.

Často kladené otázky

Jaká je hlavní funkce stejnosměrného motoru?

Jeho hlavní funkcí je přeměna elektrické energie ze stejnosměrného proudu na mechanickou rotační energii.

Jak se řídí otáčky stejnosměrného motoru?

Úpravou napětí na kotvě, budicím proudu nebo pomocí elektronického řízení PWM.

Proč potřebuje stejnosměrný motor komutátor?

Komutátor obrací směr proudu v cívkách kotvy ve správném čase tak, aby byla zajištěna nepřetržitá rotace ve stejném směru.

Může stejnosměrný motor pracovat bez kartáčů?

Ano, u bezkartáčových stejnosměrných motorů nahrazují komutaci obvody.

Co určuje výstupní točivý moment stejnosměrného motoru?

Točivý moment je určen magnetickým tokem, proudem v kotvě a konstrukcí motoru.