איך פועל מנוע זרם ישר?

איך פועל מנוע זרם ישר?

א מנוע DC הוא אחד מההמצאות החשובות בהיסטוריה של ההנדסה החשמלית, הממירה אנרגיה חשמלית של זרם ישר לאנרגיה מכאנית. ממכונות תעשייה ומערכות תחבורה ועד לכלי עבודה ביתיים ורובוטיקה, הוא רכיב מפתח באלפי מכשירים. הבנת האופן שבו מנוע DC פועלת היא הכרחית bagi Engineers, טכנאיים, וכל מי שמעוניין במערכות אלקטרו-מכאניקות.

המאמר הזה מסביר את עקרונות הפעולה של מנוע זרם ישר, רכיביו, הסוגים השונים שלו ויישומים, כמו גם המדע שמאחורי פעולתו. נדון גם בדרכים שבהן נוצרת המומנט, תפקיד הקומוטטור, ובשליטה על המהירות והכיוון של המנוע.

עקרון הפעולה הבסיסי

עקרון הפעולה הבסיסי של מנוע זרם ישר מבוסס על אלקטרומגנטיות . כאשר מוליך זרם ממוקם בתוך שדה מגנטי, הוא חווה כוח מכאנלי. תופעה זו מתוארת בכלל היד השמאלית של פלמינג, אשר קובע:

• ה אֲגוּדָל מייצג את כיוון הכוח (תנועה).

• ה האצבע הראשונה מייצגת את כיוון השדה המגנטי (מצפון לדרום).

• ה האצבע השנייה מייצגת את כיוון הזרם (מפלוס למזון).

על ידי סידור המוליך בתצורה מסוימת בתוך המנוע, ניתן לנצל את הכוח הזה כדי לייצר סיבוב רציף.

רכיבים עיקריים של מנוע זרם ישר

ארטור (רוטור)

החלק המסתובב של המנוע אשר מוביל זרם דרך הליפופים. הארמטורה מותקנת על ציר ופועלת באופן שיתופי עם השדה המגנטי כדי לייצר מומנט סיבוב.

Commutator

טבעת נחושת מחולקת המחוברת לכריכות הארטור. תפקידו להפוך את כיוון הזרם בכל כריכה של הארטור במהלך הסיבוב, ומבטיח שהמומנט יופנה תמיד באותו הכיוון.

מברשות

ברשות, שמיוצרות לרוב מפחמן או גרפיט, שומרות על מגע חשמלי בין מקור הכוח הנייח לבין הקולקטור הסיבובי.

כריכה שדה או מגנטים קבועים

יוצרים את השדה המגנטי הנייח שבו הארטור מסתובב. בחלק מהעיצובים משתמשים באלקטרומגנטים; בעיצובים אחרים, המגנטים הקבועים מספקים את השדה.

מיסבים

תומכים בjournal הסיבוב, מפחיתים החיכוך ומאפשרים תנועה חלקה.

שגר (ספוד)

הקליפה החיצונית שמחזיקה את הרכיבים יחדיו, מגנה עליהם מפצעים, ועשוייה גם לסייע בתפיסת חום.

תהליך העבודה שלב אחר שלב

1. חיבור מקור הכוח
   זרם ישר מסופק למסופי המנוע, עם היציאות החיוביות והשליליות מחוברות לברשות.

2. זרימת הזרם דרך הארמטורה
   המברשות מעבירות זרם חשמלי לקולקטור, אשר מכוון אותו אל סלילי הארמטורה.

3. אינטראקציה של שדה מגנטי
   הזרם בסלילי הארמטורה יוצר שדה מגנטי משלו. שדה זה באינטראקציה עם השדה המגנטי הקבוע שמגיעה מסלילי השדה או ממנחות קבועות.

4. ייצור כוח
   האינטראקציה בין שני השדות המגנטיים יוצרת כוח על מוליכי הארטור, מה שגורם לסיבוב הרוטור.

5. קומוטציה
   בזמן סיבוב הרוטור, הקומוטטור הופך את כיוון הזרם ב감לי הארטור בכל סיבוב חצי. פעולה זו מבטיחה שהמומנט המושרה ישמר את כיוון הסיבוב הזהה.

6. סיבוב רציף
   התהליך חוזר על עצמו ברציפות כל עוד מופעל מתח ההזנה, ומייצר סיבוב מכני מתמשך.

התפקיד של הקומוטציה במנוע זרם ישר

קומוטציה היא קריטית לשמירה על סיבוב חלק. ללא היפוך הזרם בכריכות הארמטורה בזמן הנכון, מומנט הסיבוב היה משנה כיוון והמנוע היה עוצר או מזנק. במנועים עם פחמים, הקומוטציה מתבצעת באופן מכאנלי על ידי הפחמים ומקטעי הקומוטטור. במנועים ללא פחמים, הקומוטציה מתבצעת על ידי מעגלים אלקטרוניים.

סוגי מנועי זרם ישר והבדלי הפעולה ביניהם

מנוע זרם ישר עם סליל סדרתי

• הסליל המגנטי מקושר בטור לסליל הארמטורה.

• מייצר מומנט סיבוב גבוה בתחילת הפעלה, ולכן מתאים ליישומים כמו מנופים ורכבות חשמליות.

• המהירות משתנה במידה רבה עם שינויי עומס.

מנוע זרם ישר עם סליל שונט

• הסליל המגנטי מקושר במקביל לסליל הארמטורה.

• מגביר ת regulation טובה של המהירות תחת עומסים משתנים.

• נפוץ במכונות תעשייתיות הדורשות פעולה יציבה.

מנוע זרם ישר עם סליל שטף שילובית

• מ 결יטה את שתי סלילי השדה הסדרתי והמקבילי.

• מציעה איזון בין מומנט סיבוב גבוה בתחילת הפעלה ות regulation מהירות טובה.

מנוע זרם ישר עם מגנט קבוע

• משתמש במגנטים קבועים לשדה במקום סלילים.

• עיצוב פשוט יותר, יעילות גבוהה וגודל קטן.

• נמצא בשימוש במכשור ביתי קטן, צעצועים ויישומים אוטומotive.

מנוע DC ללא פיחים (BLDC)

• משתמש בקומוטציה אלקטרונית במקום פחמים.

• יעיל יותר, אורך חיים ארוך יותר ותחזוקה מינימלית.

• נפוץ ברכב חשמלי, רחפנים ויישומים מדידים.

איך מנוע זרם ישר מייצר מומנט

מומנט הוא הכוח הסיבובי שמגיעה מהמנוע. במנוע זרם ישר, המומנט תלוי ב:

• עוצמת השדה המגנטי.

• כמות הזרם בסלילי הארטור.

• מספר המוליכים הפעילים בשדה המגנטי.

המשוואה הבסיסית של מומנט עבור מנוע זרם ישר היא:

T = k × Φ × Ia

כאשר:‏

• ת = מומנט

• ק = קבוע המנוע

• φ = שטף מגנטי לقطב

• Ia = זרם הארמטורה

העלייה בזרם הארמטורה או בשטף המגנטי תגביר את המומנט.

בקרת מהירות במנוע זרם ישר

ניתן לשלוט במהירות על ידי התאמת:

• מתח הארמטורה : מתח גבוה יותר מגדיל את המהירות.

• זרם השדה : הגדלת זרם השדה מחזקת את השדה המגנטי ומקטינה את המהירות; הקטנתו מגדילה את המהירות.

• שליטה ב-PWM : אופני תנודה בעלי רוחב פולס מאפשרים התאמה מדויקת ויעילה של המהירות.

בקרת כיוון

כיוון הסיבוב במנוע זרם ישר ניתן להפוך על ידי שינוי הקיטוב של אספקת הארטור או של אספקת השדה (אך לא את שניים יחד). זה משמש לרוב במנועים הופכיים כמו וינצ'ות חשמליות ופסי סינור תעשייתיים.

גורמים לייצוריות

התפוקה של מנוע זרם ישר תלויה בהפחתת אובדן, כולל:

• אובדן חשמלי ב감ישים (אובדן התנגדות).

• אובדן מכאנלי בבEarings ובשחיקה.

• אובדן ליבה עקב היסטרזיס מגנטי וזרמי ערבוב.

עיצובים ללא פחיתן מציעים לרוב תפוקה גבוהה יותר מכיוון שהם משמיטים את השחיקה של הפחיתן ומקטינים את הקשת החשמלית.

יתרונות של מנועי זרם ישר בשימוש פרקטי

• שליטה מדויקת וחלקה במהירות.

• מומנט התחלתי גבוה עבור עומסי עבודה כבדים.

• תגובה מהירה לסגנלי בקרה.

• תאימות למקורות ספקת סוללות.

הגבלות שיש לשקול

• דרישות תחזוקה בעיצובים עם פחמים.

• חיי שירות קצרים בתנאי עומס כבד אם לא תופעל תחזוקה מתאימה.

• רעש חשמלי הנוצר מהפיחמים והמגשרים.

יישומים של מנועי זרם ישר

• תחבורה : מכוניות חשמליות, רכבות וטרמים.

• מachinery תעשייתית : מתקני גלגלים, קונברס ומעליות.

• אוטומציה : רובוטיקה, מכונות CNC ואקטואטורים.

• אלקטרוניקה צרכנית : כלים חשמליים, מאווררים ומכשורים ביתיים.

העתיד של טכנולוגיית מנועי ה-DC

עם העלייה במערכות אנרגיה מתחדשת, תחבורה חשמלית ואוטומציה מתקדמת, מנוע ה-DC נשאר רלוונטי. שיפורים בחומרים, בקרנים אלקטרוניים ושיטות ייצור מעצימים את הביצועים, מקטינים את התחזוקה ומרחיבים את טווח היישומים שלהם. מנועי ה-DC ללא פחתיים (BLDC), במיוחד, צפויים לשלוט בעיצובים עתידיים בשל יעילותם ואמינותם.

סיכום

מנוע DC פועל על ידי המרת אנרגיה חשמלית ממקור זרם ישר לסיבוב מכאנלי, דרך האינטראקציה בין שדות מגנטיים וחומרים מוליכים של זרם. הפעולה המואמת של רכיביו — ארטור, קולקטור, פחתיים ומערכת השדה — מובילה ליצירת מומנט סיבוב רציף. בין אם מדובר במבנה עם פחתיים או ללא פחתיים, היכולת של מנוע ה-DC לספק בקרה מדויקת על המהירות, מומנט סיבוב גבוה ותאימות רבה, הופכת אותו ללא dispensable במגוון רחב של תחומים תעשייתיים.

שאלות נפוצות

מהי הפונקציה העיקרית של מנוע זרם ישר?

הפונקציה העיקרית שלו היא המרת אנרגיה חשמלית של זרם ישר לאנרגיה מכאנית סיבובית.

איך משלבים את המהירות של מנוע זרם ישר?

על ידי התאמת מתח הארטור, זרם השדה, או באמצעות שליטה אלקטרונית ב-PWM.

למה מנוע זרם ישר צריך קולקטור?

הקולקטור הופך את כיוון הזרם בכריכות הארטור בזמן הנכון כדי לשמור על סיבוב רציף באותו הכיוון.

האם מנוע זרם ישר יכול לפעול ללא פחמים?

כן, במנועי זרם ישר ללא פחמים, מעגלים אלקטרוניים מחליפים את הפחמים לצורך קומוטציה.

מה קובע את הכוח הסיבובי של מנוע זרם ישר?

הכוח הסיבובי נקבע על ידי השטף המגנטי, זרם הארטור, ובניית המנוע.