Miten tasavirtamoottori toimii?

Miten tasavirtamoottori toimii?

A Vähävirtainen moottor on yksi sähkötekniikan historian tärkeimmistä keksinnöistä, ja se muuttaa tasavirtaisen sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Teollisuuskoneistoista ja kulkuneuvosysteemeistä kotitalouksien laitteisiin ja robotiikkaan se on keskeinen komponentti lukuisissa laitteissa. Sen toiminnan ymmärtäminen on välttämätöntä insinööreille, teknikoille ja kaikille, jotka ovat kiinnostuneet sähkömekaanisista järjestelmistä. Vähävirtainen moottor toimii on välttämätöntä insinööreille, teknikoille ja kaikille, jotka ovat kiinnostuneet sähkömekaanisista järjestelmistä.

Tässä artikkelissa selitetään tasavirtamoottorin toimintaperiaatteet, sen osakomponentit, tyypit ja käyttösovellukset sekä toiminnan taustalla oleva tiede. Käymme myös läpi, miten vääntömomentti syntyy, kommutaattorin rooli, sekä nopeuden ja suunnan säätö.

Perustoimintaperiaate

Yksinkertaisen tasavirtamoottorin toimintaperiaate perustuu sähkömagnetismi . Kun virran kuljettava johtimen sijoitetaan magneettikenttään, siihen kohdistuu mekaaninen voima. Tätä kuvaa Flemingin vasen käsi -sääntö, jonka mukaan:

• The peukalo edustaa voiman (liikkeen) suuntaa.

• The pekka sormi edustaa magneettikentän suuntaa (pohjoisesta etelään).

• The keskisormi edustaa virran suuntaa (positiivisesta negatiiviseen).

Sijoittamalla johtimen tiettyyn asento moottorin sisälle, tätä voimaa voidaan hyödyntää jatkuvan pyörimisen aikaansaamiseksi.

Tasavirtamoottorin pääkomponentit

Armatuuri (roottori)

Moottorin pyörivä osa, joka kuljettaa virran kierrekuvauksia läpi. Armatuuri on kiinnitetty akseliin ja se vuorovaikuttaa magneettikentän kanssa tuomaan vääntömomentin aikaan.

Kolmittin

Segmentoitu kuparirengas, joka on kytketty induktorikäämiin. Sen tehtävänä on kääntää jokaisen induktorikelan sähkövirran suuntaa sen pyöriessä, jolloin vääntömomentti tuotetaan aina samaan suuntaan.

Suhvelit

Hiili- tai grafiittimaiset harjat ylläpitävät sähköistä kontaktia kiinteän virtalähteen ja pyörivän kommutaattorin välillä.

Kenttäkäämi tai pysyvät magneetit

Ne luovat staattisen magneettikentän, jossa induktori pyörii. Tietyissä suunnitteluratkaisuissa käytetään sähkömagneetteja, toisissa taas pysyviä magneetteja magneettikentän tuottamiseen.

Laakerit

Laakerit tukevat pyörivää akselia, vähentävät kitkaa ja mahdollistavat sileän liikkeen.

Kotelo (Runko)

Ulompi kotelo pitää osat yhdessä, suojaa niitä vaurioilta ja voi myös auttaa lämmön hajaantumisessa.

Vaiheittainen työprosessi

1. Virrananto yhteys
   Yhtenäisvirta syötetään moottorin napoihin, joiden positiivinen ja negatiivinen johto on kytketty harjiin.

2. Virta kulkee induktorin läpi
   Harjat siirtävät sähkövirran kommutaattoriin, joka ohjaa sen induktorikäämiin.

3. Magneettikentän vuorovaikutus
   Käyräkelan kierrekäännöissä kulkeva virta luo oman magneettikenttänsä. Tämä vuorovaikuttaa kenttäkäännösten tai pysyvien magneettien tuottaman paikallaan olevan magneettikentän kanssa.

4. Voiman tuotanto
   Kahden magneettikentän välinen vuorovaikutus tuottaa voiman käyräkelan johdinrakenteisiin, jolloin roottori alkaa pyöriä.

5. Kommutaatio
   Kun roottori pyörii, kommutaattori kääntää virran suunnan käyräkelan kierrekäännöissä jokaista puolikkaan kierroksen välein. Tämä varmistaa, että tuotettu vääntömomentti säilyy samassa pyörimissuunnassa.

6. Jatkuva kierros
   Prosessi toistuu jatkuvasti niin kauan kuin jännitettä on kytkettynä, mikä tuottaa jatkuvaa mekaanista pyörimistä.

Kommutaation rooli tasavirtamoottorissa

Kommutaatio on kriittistä tasaisen pyörimisen ylläpitämiseksi. Jos virran kääntämistä armatuurikäämien osalta ei tehdä oikeaan aikaan, vääntömomentti muuttaisi suuntaansa ja moottori pysähtyisi tai alkaisi tärähdellä. Harjamoottoreissa mekaanisen kommutaation tekevät harjat ja kommutaattorilevyt. Harjamattomissa moottoreissa kommutaation tekevät elektroniset piirit.

Yhtälömoottorien tyypit ja niiden toiminnalliset erot

Sarjaankytketty yhtälömoottori

• Kenttäkäämi on kytketty sarjaan armatuurikäämin kanssa.

• Tuottaa suuren käynnistysvääntömomentin, mikä tekee siitä sopivan käytettäväksi esimerkiksi kuriin ja sähköisiin junaan.

• Nopeus vaihtelee huomattavasti kuorman muuttuessa.

Rinnankytketty yhtälömoottori

• Kenttäkäämi on kytketty rinnan armatuurikäämin kanssa.

• Tarjoaa hyvän nopeudensäädön eri kuormitustilanteissa.

• Yleisesti käytössä teollisuuskoneistoissa, joissa vaaditaan tasainen toiminta.

Kaksoishaarukoiden tasavirtamoottori

• Yhdistää sarja- ja rinnakkaiskenttäkäämmit.

• Tarjoaa tasapainon korkean käynnistysvääntömomentin ja hyvän nopeudensäädön välillä.

Vakiomagneettinen dc-moottori

• Käyttää kentän synnyttämiseen kestomagneetteja käämien sijaan.

• Yksinkertaisempi rakenne, korkea hyötysuhde ja kompakti koko.

• Löytyy pienistä kodinkoneista, leluista ja autojen sovelluksista.

Brushless DC-moottori (BLDC)

• Käyttää elektronista kommutaatiota harjojen sijaan.

• Tehokkaampi, pidempi käyttöikä ja vähemmän huoltoa.

• Suosittu sähköajoneuvoissa, droneissa ja tarkkuusmittareissa.

Kuinka tasavirtamoottori tuottaa vääntömomenttia

Vääntömomentti on moottorin tuottama pyörimisvoima. Yhtälössä DC-moottorin vääntömomentti riippuu seuraavista tekijöistä:

• Magneettikentän voimakkuudesta.

• Virran määrästä armatuurikäämityksessä.

• Aktiivisten johdinlankojen lukumäärästä magneettikentässä.

Perusyhtälö DC-moottorin vääntömomentille on:

T = k × Φ × Ia

Mistä:

• T = Vääntömomentti

• k = Moottorivakio

• φ = Magneettivuo navan kohti

• Ia = Armatuurivirta

Käyttövirran tai magneettivuon lisääminen lisää vääntömomenttia.

Nopeuden säätö DC-moottorissa

Nopeutta voidaan säätää säätämällä:

• Käyttöjännite : Korkeampi jännite lisää nopeutta.

• Kenttävirta : Kenttävirran lisääminen vahvistaa magneettikenttää ja laskee nopeutta; sen vähentäminen puolestaan lisää nopeutta.

• PWM-hallinta : Pulssinleveysmodulaatio mahdollistaa tarkan ja tehokkaan nopeuden säädön.

Suunnan hallinta

DC-moottorin pyörimissuunta voidaan kääntää muuttamalla jommankumman, käyttöpiirin tai kenttäpiirin, napaisuutta (mutta ei molempia samanaikaisesti). Tätä käytetään yleisesti kääntyvissä driveissä, kuten sähköwinssien ja teollisuusnauhojen kohdalla.

Hyötysuhteen tekijät

DC-moottorin tehokkuus riippuu häviöiden minimoimisesta, mukaan lukien:

• Sähköiset häviöt kierroksissa (resistanssihäviöt).

• Mekaaniset häviöt laakereissa ja kitkassa.

• Ydinhäviöt magneettisen histeerion ja pyörrevirtojen vuoksi.

Konepellittömät suunnittelut tarjoavat yleensä parempaa tehokkuutta, koska ne poistavat konepellin kitkan ja vähentävät sähköistä kaarukonetta.

DC-moottorien edut käytännössä

• Tarkka ja tasainen nopeudensäätö.

• Korkea käynnistysvääntö raskaille kuormille.

• Pikainen reaktio ohjaussignaaleihin.

• Yhteensopivuus akkujen energialähteiden kanssa.

Otamme huomioon rajoitukset

• Holkkiin liittyvien suulakkeiden huoltotarve.

• Lyhyempi käyttöikä suurissa kuormissa, jos huolto on riittämätöntä.

• Sähköinen kohina holkista ja kommutaattorista.

DC-moottoreiden sovellukset

• Kuljetus : Sähköautot, juna- ja raitiovaunut.

• Teollisuuden koneet : Nosturit, kuljetinhihnat ja hissit.

• Automaatio : Robottiikka, CNC-koneet ja toimilaitteet.

• Kulutuselektroniikka : Sähkötyökalut, tuuletinmallit ja kodinkoneet.

Yhtenävien moottorien teknologian tulevaisuus

Uusiutuvan energian järjestelmien, sähköisen liikkuvuuden ja edistyneen automaation myötä yhtenäinen moottori säilyttää merkityksensä. Materiaalien, elektronisten ohjainlaitteiden ja valmistusmenetelmien parannukset lisäävät suorituskykyä, vähentävät huoltotarvetta ja laajentavat sovellusalueita. Erityisesti holkittomat yhtenäismoottorit tulevat hallitsemaan tulevia ratkaisuja tehokkuutensa ja luotettavuutensa ansiosta.

Johtopäätös

Yhtälöpiirillä toimiva moottori muuttaa sähköenergiaa suoraan sähkövirralähteestä mekaaniseksi pyörimisenergiaksi magneettikenttien ja virranjohtimien vuorovaikutuksen avulla. Sen komponenttien — armatuuran, kommutaattorin, harjojen ja kenttäjärjestelmän — yhteistoiminta varmistaa jatkuvan vääntömomentin tuotannon. Olipa kyseessä harjallinen tai harjamaton rakenne, yhtälöpiirimoottorin kyky tarjota tarkkaa nopeudensäätöä, korkeaa vääntömomenttia ja sopeutuvuutta pitää sen olennaisena monissa teollisuudenaloissa.

UKK

Mikä on yhtälöpiirimoottorin päätoiminto?

Päätoimintona on muuttaa suoraan sähkövirtaa mekaaniseksi pyörimisenergiaksi.

Kuinka yhtälöpiirimoottorin nopeutta säädetään?

Säätämällä armatuuran jännitettä, kenttävirtaa tai käyttämällä elektronista PWM-säätöä.

Miksi yhtälöpiirimoottorille tarvitaan kommutaattori?

Kommutaattori kääntää virran suuntaa armatuuran kierroksissa oikeaan aikaan ylläpitääkseen jatkuvaa pyörimistä samassa suunnassa.

Voisiko yhtälöpiirimoottori toimia ilman harjoja?

Kyllä, ilmanvaihtoventtiileissä elektroniset piirit korvaavat harjat kommutaatiota varten.

Mikä määrittää DC-moottorin vääntömomentin tuoton?

Vääntömomentin määrittää magneettivuo, armatuurivirta ja moottorin rakenne.