Kako deluje enosmerni motor?

Kako deluje enosmerni motor?

A Motor s enosmernim tokom je eno najpomembnejših izumov v zgodovini elektroinženirstva, saj pretvarja električno energijo enosmerne energe v mehansko energijo. Od industrijskih strojev in prometnih sistemov do gospodinjskih aparatov in robotike, je ključna komponenta v številnih napravah. Razumevanje načela delovanja Motor s enosmernim tokom je nujno za inženirje, tehnične delavce in vse, ki se zanimajo za elektromehanske sisteme.

Ta članek razlaga delovno načelo enosmernega motorja, njegove komponente, vrste, uporabne primere ter znanstveno osnovo njegovega delovanja. Prav tako bomo pokrili, kako se generira navor, vlogo komutacije ter kako se krmilita hitrost in smer vrtenja.

Osnovno delovno načelo

Osnovno delovanje enosmerne motorje (DC motorja) temelji na elektromagnetizem . Ko se vodnik, po katerem teče električni tok, nahaja v magnetnem polju, ga deluje mehanska sila. To opisuje Flemingovo pravilo leve roke, ki pravi:

• The polica predstavlja smer sile (gibanja).

• The kazalec predstavlja smer magnetnega polja (od severa proti jugu).

• The sredinec predstavlja smer toka (od pozitivnega proti negativnemu).

Če vodnik uredimo v določeno konfiguracijo znotraj motorja, lahko to silo izkoristimo za ustvarjanje zveznega vrtenja.

Glavne komponente enosmernega motorja

Armaturni kolut (rotor)

Vrteči del motorja, ki prevaja tok skozi tuljave. Armaturni del je pritrjen na gredi in vpliva na magnetno polje za generacijo navora.

Komitator

Segmentirani bakreni kolobar, povezan z navitji rotorja. Njegova vloga je obrniti smer tokokroga v vsakem rotorjevem navitju med vrtenjem, kar zagotavlja, da je navor vedno usmerjen v isto smer.

Čopiči

Ohišje (okvir)

Polno navitje ali trajni magneti

Ti ustvarjajo stalno magnetno polje, v katerem se vrti rotor. V nekaterih konstrukcijah se uporabljajo elektromagneti; v drugih pa trajni magneti zagotavljajo to polje.

Nosilke

Podpirata vrteči se vrat, zmanjšujeta trenje in omogočata gladko gibanje.

Ohišje (okvir)

Zunanji pokrov, ki drži komponente skupaj, jih ščiti pred poškodbami in lahko pomaga pri odvajanju toplote.

Delovni proces po korakih

1. Povezava napajalnika
   Enosmerni tok se dovaja na priključke motorja, pri čemer sta pozitivni in negativni vodnik povezana s krtačama.

2. Tokokrog skozi rotor
   Krtače prenašajo električni tok v komutator, ki ga nato usmerja v rotorjeva navitja.

3. Magnetno Polje Interakcija
   Tok v armaturnih navitjih ustvarja lastno magnetno polje. To sodeluje s stacionarnim magnetnim poljem iz polnih navitij ali trajnih magnetov.

4. Ustvarjanje Sile
   Medsebojno delovanje dveh magnetnih polj ustvari silo na armaturne vodnike, kar povzroči sukanje rotorja.

5. Preklopnik
   Ko se rotor vrti, komutator vsakih polovice obrata spremeni smer toka v armaturnih navitjih. To zagotavlja, da se navor ohrani v isti vrtilni smeri.

6. Nenehno vrtenje
   Postopek se ponavlja neprekinjeno, dokler je uporabljen napetostni vir, kar povzroča trajno mehansko vrtenje.

Vloga Komutacije v Enosmernem Motorju

Komutacija je ključna za ohranjanje gladke rotacije. Če bi tok v armaturnih navitjih obrnili v napačnem trenutku, bi se navor spremenil in motor bi se ustavil ali zatresel. Pri komutatornih motorjih je mehanska komutacija izvedena z grafitskimi ščetinkami in segmenti komutatorja. Pri brezščetinih motorjih komutacijo opravi elektronska vezava.

Vrste enosmernih motorjev in njihove delovne razlike

Enosmerni motor z zaporedno utesnitvijo

• Polje utesnitve je povezano zaporedno z armaturnim navitjem.

• Ustvarja visok zagonski navor, zaradi česar je primeren za uporabo v žerjavih in električnih vlakih.

• Hitrost se močno spreminja ob spremembah obremenitve.

Enosmerni motor s vzporedno utesnitvijo

• Polje utesnitve je povezano vzporedno z armaturnim navitjem.

• Omogoča dobro regulacijo hitrosti pri spremenljivih obremenitvah.

• Pogosta uporaba v industrijskih strojih, ki zahtevajo stabilno delovanje.

Sestavljeni enosmerni motor z navitjem

• Kombinira serisko in vzporedno polje navitij.

• Nudi ravnovesje med visokim zagonom navora in dobro regulacijo hitrosti.

Takov motor s trajnimi magneti

• Uporablja za polje stalne magnete namesto navitij.

• Preprosta konstrukcija, visoka učinkovitost in kompaktna velikost.

• Uporablja se v majhnih napravah, igračkah in avtomobilski industriji.

Brezčetkovni enosmerni motor (BLDC)

• Uporablja elektronsko komutacijo namesto ščetk.

• Vedno učinkovitejši, daljše življenjsko dobo in manj vzdrževanja.

• Pogost v električnih vozilih, brezpilotnih letalih in natančnih instrumentih.

Kako enosmerni motor proizvaja navor

Navor je vrtilna sila, ki jo proizvaja motor. Pri enosmernem motorju navor je odvisen od:

• Jakosti magnetnega polja.

• Količine toka v armaturnih navitjih.

• Števila aktivnih vodnikov v magnetnem polju.

Osnovna enačba navora za enosmerni motor je:

T = k × Φ × Ia

Kjer:

• T = Navor

• k = Motorja konstanta

• φ = Magnetni pretok na pol

• Ija = Armaturni tok

Povečanje armaturnega toka ali magnetnega pretoka bo povečalo navor.

Krmiljenje hitrosti enosmerne motorje

Hitrost je mogoče krmiliti z nastavljanjem:

• Armaturno napetost : Višja napetost poveča hitrost.

• Tok vzbujanja : Povečanje vzbujanja okrepi magnetno polje in zmanjša hitrost; zmanjšanje hitrosti pa jo poveča.

• Krmiljenje z PWM : Modulacija širine impulza omogoča natančno in učinkovito prilagajanje hitrosti.

Krmiljenje smeri

Smer vrtenja enosmerne motorje je mogoče obrniti tako, da spremenite polariteto bodisi armaturnega napajanja bodisi vzbujanja (vendar ne obeh hkrati). To se pogosto uporablja v reverznih pogonih, kot so električne škripce in industrijske transportne trakove.

Dejavniki učinkovitosti

Učinkovitost enosmerne motorjev je odvisna od zmanjšanja izgub, vključno z:

• Električne izgube v navitjih (izgube zaradi upornosti).

• Mehanske izgube v ležajih in trenju.

• Jedrne izgube zaradi magnetne histeréze in vrtincnih tokov.

Brezbrišni dizajni ponujajo na splošno višjo učinkovitost, saj odpravijo trenje brikov in zmanjšajo električne iskre.

Prednosti enosmernih motorjev pri praktični uporabi

• Natančno in gladko krmiljenje hitrosti.

• Visok zagonski navor za težke obremenitve.

• Hitra reakcija na krmilne signale.

• Kompatibilnost z baterijskimi napetostnimi viri.

Omejitve, ki jih je treba upoštevati

• Vzdrževalni zahtevi za konstrukcijami s krtačkami.

• Krajša življenjska doba v pogojih visokih obremenitev, če ni ustrezno vzdrževan.

• Električni hrup iz krtačk in komutatorjev.

Uporaba enosmernih motorjev

• Prevoz : Električna vozila, vlaki in tramvaji.

• Industrijski stroji : Valjarske mlinice, trakovezni in dvigala.

• Avtomatizacija : Robotika, CNC stroji in aktuatorji.

• Potrošniška elektronika : Orodje na elektriko, ventilatorji in gospodinjski aparati.

Prihodnost tehnologije enosmernih motorjev

Z naraščanjem obnovljivih energetskih sistemov, električne mobilnosti in napredne avtomatizacije ostaja enosmerni motor (DC motor) pomemben. Izboljšave na materialih, elektronskih krmilnikih in metodah proizvodnje povečujejo učinkovitost, zmanjšujejo vzdrževanje in razširjajo območje uporabe. Še posebej brezkrtačni enosmerni motorji (BLDC motorji) naj bi v prihodnje prevladali v načrtovanju zaradi svoje učinkovitosti in zanesljivosti.

Zaključek

Enosmerni motor deluje tako, da električno energijo iz vira enosmerne energe prevede v mehansko vrtenje s pomočjo interakcije magnetnih polj in tokovodnih vodnikov. Usklajeno delovanje njegovih komponent – induktor, komutator, krtače in polni sistem – zagotavlja neprekinjeno generacijo navora. Ne glede na to, ali gre za krtačno ali brezkrtačno konfiguracijo, sposobnost enosmernega motorja, da zagotavlja natančno krmiljenje hitrosti, visok navor in prilagodljivost, ga ohranja kot nepogrešljivega v mnogih industrijskih panogah.

Pogosta vprašanja

Kakšna je glavna funkcija enosmernega motorja (DC motorja)?

Njegova glavna funkcija je pretvorba električne energije v mehansko rotacijsko energijo.

Kako se hitrost DC motorja nadzoruje?

Z nastavljanjem napetosti armature, toka polja ali z uporabo elektronskega PWM nadzora.

Zakaj DC motor potrebuje komutator?

Komutator obrne smer toka v navijanju armature v pravem času, da ohranja stalno vrtenje v isti smeri.

Ali lahko motor DC deluje brez čopičev?

Da, v brezčesalih DC motorjih elektronski tokovi zamenjajo ščetke za premik.

Kaj določa izhodni navoralec motorja DC?

Navor se določi z magnetnim tokom, tokom armature in konstrukcijo motorja.