Ako funguje jednosmerný motor?

Ako funguje jednosmerný motor?

A Motor s plynulým prúdom je jedným z najdôležitejších vynálezov v dejinách elektrotechniky, ktorý mení elektrickú energiu jednosmerného prúdu na mechanickú energiu. Od priemyselných strojov a dopravných systémov až po domáce spotrebiče a robotiku, je kľúčovou súčiastkou neúmerného množstva zariadení. Pochopeť, ako Motor s plynulým prúdom funkčne funguje, je nevyhnutné pre inžinierov, technikov a všetkých, ktorých zaujímajú elektromechanické systémy.

Tento článok vysvetľuje princípy fungovania jednosmerného motora, jeho súčiastky, typy a použitie, ako aj vedu stojacu za jeho činnosťou. Rovnako sa budeme venovať spôsobu generovania krútiaceho momentu, úlohe komutácie a ovládaniu rýchlosti a smeru otáčania.

Základný princíp činnosti

Základný princíp činnosti jednosmerného motora je založený na elektromagnetizmus . Keď sa vodič, ktorým prechádza elektrický prúd, umiestni do magnetického poľa, pôsobí na neho mechanická sila. Táto sila je opísaná Flemingovým pravidlom ľavej ruky, ktoré znie:

• The thumb predstavuje smer sily (pohybu).

• The ukazovák predstavuje smer magnetického poľa (sever na juh).

• The prostredník predstavuje smer prúdu (plus na mínus).

Ak sa vodič usporiada do určitej konfigurácie vo vnútri motora, túto silu je možné využiť na vytvorenie spojitého otáčania.

Hlavné komponenty jednosmerného motora

Kotva (rotor)

Rotujúca časť motora, ktorá vedie prúd cez vinutia. Kotva je nasadená na hriadeli a v interakcii s magnetickým poľom generuje krútiaci moment.

Kolektor

Segmentovaný medený krúžok pripojený k vinutiam kotvy. Jeho úlohou je obrátiť smer prúdu v každej cievke kotvy počas otáčania, čím sa zabezpečí, že krútiaci moment je vždy vytváraný v rovnakom smere.

Štety

Súčiastky z uhlíka alebo grafitu, ktoré udržiavajú elektrický kontakt medzi stacionárnym zdrojom energie a rotujúcim komutátorom.

Budiče alebo trvalé magnety

Vytvárajú stacionárne magnetické pole, v ktorom sa kotva otáča. V niektorých konštrukciách sa používajú elektromagnety; v iných konštrukciách je pole vytvárané trvalými magnetmi.

Ložiská

Podporujú rotačný hriadeľ, znižujú trenie a umožňujú hladký pohyb.

Skrinka (Rám)

Vonkajší kryt, ktorý drží súčiastky spolu, chráni ich pred poškodením a môže tiež pomáhať pri odvode tepla.

Postupný pracovný proces

1. Pripojenie zdroja napájania
   Jednosmerný prúd je privádzaný na svorky motora, pričom kladný a záporný vodič sú pripojené k kefám.

2. Pretek prúdu cez kotvu
   Kefky prenášajú elektrický prúd do komutátora, ktorý ho ďalej smeruje do vinutí rotora.

3. Interakcia magnetického poľa
   Prúd prechádzajúci vinutím rotora generuje vlastné magnetické pole. Toto pole interaguje so stacionárnym magnetickým poľom pochádzajúcim z budiacich vinutí alebo permanentných magnetov.

4. Generovanie sily
   Interakcia dvoch magnetických polí vyvoláva silu pôsobiacu na vodiče v rotore, čo spôsobuje jeho otáčanie.

5. Komutácia
   Počas otáčania rotora mení komutátor smer prúdu vo vinutí rotora každú polovicu otáčky. Tým sa zabezpečí, že vytvorený krútiaci moment bude smerovať vždy rovnako.

6. Nepretržitá rotácia
   Tento proces sa neustále opakuje, pokiaľ je na motor pripojené napájacie napätie, čo zabezpečuje trvalé mechanické otáčanie.

Úloha komutácie v jednosmernom motore

Komutácia je kritická pre udržiavanie hladkého otáčania. Ak sa v správnom čase neprevráti prúd v kotvových vinutiach, krútiaci moment by zmenil smer a motor by sa zastavil alebo by sa triasol. V komutátorových motoroch sa mechanická komutácia vykonáva pomocou kefiek a komutátora. V bezkefických motoroch sa komutácia vykonáva pomocou elektronických obvodov.

Typy jednosmerných motorov a ich prevádzkové rozdiely

Sériovo budený jednosmerný motor

• Pole vinutia je pripojené sériovo s vinutím kotvy.

• Vytvára vysoký štartovací krútiaci moment, čo ho činí vhodným pre aplikácie ako sú žeriavy a elektrické vlaky.

• Otáčky sa výrazne menia so zmenou zaťaženia.

Derivačne budený jednosmerný motor

• Pole vinutia je pripojené paralelne s vinutím kotvy.

• Zabezpečuje dobrú reguláciu otáčok pri rôznych zaťaženiach.

• Bežný v priemyselných strojoch vyžadujúcich stabilnú prevádzku.

Kompaundný deravý motor

• Kombinuje sériové a bočné vinutia.

• Nabíza rovnováhu medzi vysokým štartovacím momentom a dobrou reguláciou rýchlosti.

Stálym magnetom dc motor

• Používa na vytvorenie poľa trvalé magnety namiesto vinutí.

• Jednoduchší dizajn, vysoká účinnosť a kompaktná veľkosť.

• Používa sa v malých spotrebičoch, hračkách a automobilových aplikáciách.

Bezhrebčový motor s prúdovým prúdom (BLDC)

• Používa elektronickú komutáciu namiesto kefiek.

• Účinnejší, dlhšia životnosť a menšia údržba.

• Používa sa v elektrických vozidlách, dronoch a presných meracích prístrojoch.

Ako DC motor vytvára krútiaci moment

Točivý moment je rotačná sila vyrobená motorom. V jednosmernom motore závisí točivý moment od:

• Sila magnetického poľa.

• Množstvo prúdu v kotvových vinutiach.

• Počet aktívnych vodičov v magnetickom poli.

Základná rovnica točivého momentu pre jednosmerný motor je:

T = k × Φ × Ia

Kde:

• T = Točivý moment

• k = Konštanta motora

• φ = Magnetický tok na pól

• Ia = Kotvový prúd

Zvýšenie prúdu v kotve alebo magnetického toku spôsobí zvýšenie krútiaceho momentu.

Riadenie otáčok jednosmerného motora

Otáčky je možné riadiť úpravou:

• Napätie kotvy : Vyššie napätie zvyšuje otáčky.

• Budiaci prúd : Zvýšením budiaceho prúdu sa posilní magnetické pole a otáčky klesajú; jeho znížením sa otáčky zvyšujú.

• PWM riadenie : Modulácia šírky impulzu umožňuje presnú a efektívnu úpravu otáčok.

Riadenie smeru

Smer otáčania jednosmerného motora je možné zmeniť výmenou polarity buď napájania armatúry, alebo napájania poľa (ale nie oboch súčasne). Toto sa bežne používa v reverzných pohonoch, ako sú elektrické víťahy a priemyselné dopravníky.

Faktory účinnosti

Účinnosť jednosmerného motora závisí od minimalizácie strát, medzi ktoré patria:

• Elektrické straty vo vinutiach (straty odporom).

• Mechanické straty v ložiskách a trení.

• Straty v jadre spôsobené magnetickou hysterezou a vírivými prúdmi.

Bezkomutátorové konštrukcie zvyčajne ponúkajú vyššiu účinnosť, pretože odstraňujú trenie komutátora a znižujú elektrické iskrenie.

Výhody jednosmerných motorov v praktickom použití

• Presné a hladké riadenie otáčok.

• Vysoký štartovací krútiaci moment pre ťažké zaťaženie.

• Rýchla odozva na riadiace signály.

• Kompatibilita so zdrojmi batériového napájania.

Obmedzenia na zváženie

• Údržbové požiadavky pre konštrukcie s kefkami.

• Kratšia životnosť v podmienkach vysokého zaťaženia, ak je zlá údržba.

• Elektrický šum z kefiek a komutátorov.

Použitie jednosmerných motorov

• Doprava : Elektrické autá, vlaky a električky.

• Průmyslové stroje : Valcovacie stolice, dopravné pásy a výťahy.

• Automatizácia : Robotika, CNC stroje a aktuátory.

• Spotrebná elektronika : Elektrické náradie, ventilátory a domáce spotrebiče.

Budúcnosť technológie DC motorov

S nástupom obnoviteľných zdrojov energie, elektrickej mobility a pokročilej automatizácie si DC motor udržiava svoju relevanciu. Zlepšenia materiálov, elektronických regulátorov a výrobných metód zvyšujú jeho výkon, znižujú nároky na údržbu a rozširujú oblasti využitia. Najmä bezkomutátorové DC motory sa v budúcnosti predpovedá dominancia v dizajne vďaka svojej účinnosti a spoľahlivosti.

Záver

DC motor funguje tak, že mení elektrickú energiu zo zdroja jednosmerného prúdu na mechanickú rotáciu prostredníctvom interakcie magnetických polí a vodičov, ktoré prenášajú prúd. Koordinovaná činnosť jeho komponentov – kotva, komutátor, kefky a systém budenia – zabezpečuje kontinuálnu výrobu krútiaceho momentu. Či už ide o kefkový alebo bezkefkový typ, schopnosť DC motora poskytovať presnú reguláciu otáčok, vysoký krútiaci moment a prispôsobivosť ho udržiava ako nenahraditeľného v mnohých priemyselných odvetviach.

Často kladené otázky

Aká je hlavná funkcia DC motora?

Jej hlavnou funkciou je prevod elektrickej energie jednosmerného prúdu na mechanickú rotačnú energiu.

Ako sa riadi rýchlosť jednosmerného motora?

Úpravou napätia na kotve, budiacim prúdom alebo pomocou elektronického PWM riadenia.

Prečo potrebuje jednosmerný motor komutátor?

Komutátor mení smer prúdu v kotvových vinutiach v správnom čase, aby sa zabezpečila neustála rotácia v rovnakom smere.

Môže jednosmerný motor fungovať bez kefiek?

Áno, v bezkefikových jednosmerných motoroch elektronické obvody nahrádzajú kefky pre komutáciu.

Čo určuje výstupný krútiaci moment jednosmerného motora?

Krútiaci moment je určený magnetickým tokom, kotvovým prúdom a konštrukciou motora.