Како ради једносмерни електромотор?

Како ради једносмерни електромотор?

А ДЦ мотор је једно од најважнијих изума у историји електроинжењерства, који претвара електричну енергију једносмерне струје у механичку енергију. Од индустријске опреме и система превоза, па све до кућних апаратура и роботике, то је кључни саставни део бесконачног броја уређаја. Разумевање начела по којема ради један ДЦ мотор је основно за инжењере, техничаре и све оне који су заинтересовани за електромеханичке системе.

Овај чланак објашњава принципе рада једносмерног електромотора, његове саставне делове, типове и примене, као и науку која стоји иза његовог рада. Такође ћемо објаснити како се ствара момент сила, улогу комутације и како се контролише брзина и смер кретања.

Основни принцип рада

Основно радно начело једносмерног мотора заснива се на електромагнетизам . Када се проводник којим тече струја постави у магнетно поље, он доживљава механичку силу. Ово је описано Флеминговим правилом леве руке, које наводи следеће:

• The thumb представља правац силе (кретања).

• The показивач представља правац магнетног поља (север ка југу).

• The средњак представља правац струје (позитиван ка негативном).

Постављањем проводника у одређену конфигурацију унутар мотора, ова сила се може користити за производњу сталног обртања.

Главни делови једносмерног мотора

Armatura (rotor)

Ротирајући део мотора којим струја тече кроз намотаје. Арматура је монтирана на вратило и интерагује са магнетним пољем како би генерисала обртни момент.

Commutator

Сегментиран прстен од бакра који је повезан са намотима статора. Његова улога је да обрне смер струје у сваком статорском калему док се окреће, чиме се осигурава да се момент увек производи у истом смеру.

Šetkice

Четкице, које су обично направљене од угљеника или графита, одржавају електрични контакт између стационарног извора струје и ротирајућег колектора.

Полни намот или трајни магнети

Они стварају стационарно магнетно поље у којем се окреће статор. У неким конструкциямa користе се електромагнети; у другима, магнетно поље обезбеђују трајни магнети.

Лежајеви

Подржавају ротирајући вал, смањују трење и омогућавају глатко кретање.

Кућиште (рам)

Спољашња кућа која држи компоненте заједно, штити их од оштећења и може помоћи у размене топлоте.

Процес рада корак по корак

1. Приклjuчивање елekтpонe чepeпa
   Једносмерна струја се доводи на прикључке мотора, где се позитивни и негативни водови повезују са четкицама.

2. Проток струје кроз статор
   Четкице преносе електричну струју на колектор, који је усмерава ка намотима статора.

3. Međusobno delovanje magnetnih polja
   Struja u armaturnim namotajima stvara sopstveno magnetno polje. Ono deluje sa stacionarnim magnetnim poljem iz poljnih namotaja ili trajnih magneta.

4. Generisanje sile
   Međusobno delovanje dva magnetna polja stvara silu na armaturnim provodnicima, što izaziva obrtanje rotora.

5. Komunikacija
   Dok rotor obrće, komutator menja smer struje u armaturnim namotajima svakih pola obrtaja. Ovo osigurava da generisani obrtni moment ostane u istom smeru obrtanja.

6. Neprekidna rotacija
   Proces se neprekidno ponavlja sve dok je priključen napon napajanja, čime se postiže trajno mehaničko obrtanje.

Uloga komutacije u jednosmernom motoru

Komutacija je ključna za održavanje glatke rotacije. Ako se struja u armaturnim namotajima ne obrne u pravo vreme, moment bi promenio smer i motor bi stao ili bi se tresao. Kod motora sa četkicama, mehaničku komutaciju obavljaju četkice i kolektor. Kod bezčetkastih motora, komutaciju obavljaju elektronske kola.

Vrste jednosmjernih motora i razlike u načinu rada

Jednosmjerni motor sa serijeskim pobudnim namotajem

• Pobudni namotaj povezan je serijski sa armaturnim namotajem.

• Proizvodi visoki početni moment, zbog čega je pogodan za primene poput dizalica i električnih vozova.

• Brzina se znatno menja u skladu sa promenama opterećenja.

Jednosmjerni motor sa paralelnim pobudnim namotajem

• Pobudni namotaj povezan je paralelno sa armaturnim namotajem.

• Obezbeđuje dobro regulaciju brzine pri promenljivim opterećenjima.

• Često se koristi u industrijskim mašinama koje zahtevaju stabilan rad.

Komponovani istosmjerni motor sa serijskim i paralelnim pobudama

• Kombinuje serijske i paralelne zavojnice statora.

• Nudi ravnotežu između visokog početnog momenta i dobre regulacije brzine.

Perzentski magnetski DC motor

• Koristi trajne magnete za stator umjesto zavojnica.

• Jednostavniji dizajn, visoka efikasnost i kompaktna veličina.

• Koristi se u malim uređajima, igračkama i automobilskim primjenama.

Безпечлични ДЦ мотор (БЛДЦ)

• Koristi elektronsku komutaciju umjesto četkica.

• Efikasniji, duži vijek trajanja i manje održavanja.

• Popularan u električnim vozilima, bespilotnim letjelicama i preciznim instrumentima.

Kako istosmjerni motor proizvodi moment sile

Moment je obrtna sila koju proizvodi motor. Kod jednosmerne struje, moment zavisi od:

• Jačine magnetnog polja.

• Količine struje u armaturnim namotajima.

• Broja aktivnih provodnika u magnetnom polju.

Osnovna jednačina momenta za motor jednosmerne struje je:

T = k × Φ × Ia

Gde:

• T = Moment

• k = Konstanta motora

• φ = Magnetni fluks po polu

• Ija = Struja armature

Povećanje jačine struje u armaturi ili magnetnog fluksa će povećati obrtni moment.

Kontrola brzine kod jednosmerne mašine

Brzina se može kontrolisati podešavanjem:

• Napon armature : Viši napon povećava brzinu.

• Struja uzbude : Povećanje struje uzbude pojačava magnetno polje i smanjuje brzinu; smanjenje iste povećava brzinu.

• PWM upravljanje : Modulacija širine impulsa omogućava tačna i efikasna podešavanja brzine.

Kontrola smera

Smer rotacije kod jednosmerne mašine može se obrnuti promenom polariteta napajanja armature ili napajanja uzbude (ali ne oba istovremeno). Ovo se često koristi u reverznim pogonima kao što su električne vitla i industrijski transporteri.

Faktori efikasnosti

Efikasnost DC motora zavisi od smanjenja gubitaka, uključujući:

• Električni gubici u namotajima (gubici usled otpornosti).

• Mehanički gubici u ležajevima i trenju.

• Gubici u jezgru zbog magnetske histereze i vrtložnih struja.

Bezčetkasti dizajni generalno nude veću efikasnost jer uklanjaju trenje četkica i smanjuju električno iskrenje.

Prednosti DC motora u praktičnoj upotrebi

• Precizno i glatko upravljanje brzinom.

• Visok početni obrtni moment za teška opterećenja.

• Brzi odgovor na kontrolne signale.

• Kompatibilnost sa izvorima energije iz baterija.

Ограничења која треба узети у обзир

• Zahtevi za održavanje kod dizajna sa četkicama.

• Kraći vek trajanja u uslovima visokog opterećenja ako se loše održavaju.

• Električni šum iz četkica i kolektora.

Primene DC motora

• Prevoz : Električna vozila, vozovi, tramvaji.

• Industrijska mašinerija : Valjkarski stolovi, transporteri i dizalice.

• Аутоматизација : Robotika, CNC mašine i aktuatori.

• Potrošačka elektronika : Alati na struju, ventilatori i kućni aparati.

Buducnost tehnologije jednosmernih motora

Uz porast korišćenja sistema obnovljivih izvora energije, električne mobilnosti i naprednih automatizacija, jednosmerni motor ostaje relevantan. Unapređenja u materijalima, elektronskim kontrolerima i metodama proizvodnje povećavaju performanse, smanjuju održavanje i proširuju opseg primene. Posebno, bezčetkasti jednosmerni motori verovatno će dominirati budućim dizajnima zahvaljujući svojoj efikasnosti i pouzdanosti.

Закључак

Jednosmerni motor funkcioniše tako što električnu energiju iz izvora jednosmerne struje pretvara u mehaničko obrtanje putem interakcije magnetnih polja i provodnika koji vode struju. Usklađeno delovanje njegovih komponenti – armature, komutatora, četkica i poljnog sistema – obezbeđuje kontinuiranu proizvodnju obrtnog momenta. Bez obzira da li je u verziji sa četkicama ili bez četkica, sposobnost jednosmernog motora da obezbedi preciznu kontrolu brzine, visok obrtni moment i prilagodljivost čini ga nezamenljivim u mnogim industrijskim oblastima.

Често постављана питања

Koja je glavna funkcija jednosmernog motora?

Njegova glavna funkcija je da pretvori električnu energiju jednosmerne struje u mehaničku obrtnu energiju.

Na koji način se kontroliše brzina jednosmernog motora?

Promenom napona armature, jačine struje u polju ili korišćenjem elektronske PWM kontrole.

Zašto jednosmernom motoru treba komutator?

Komutator menja smer struje u namotajima armature u pravom trenutku kako bi se održalo kontinuirano obrtanje u istom smeru.

Može li jednosmerni motor da funkcioniše bez četkica?

Да, у моторима једносмерне струје без четкица, електронски кола замењују четкице за комутацију.

Шта одређује излазни момент мотора једносмерне струје?

Момент се одређује магнетним флуксом, струјом у статору и конструкцијом мотора.