Hur fungerar en likströmsmotor?

Hur fungerar en likströmsmotor?

A Samgående motor är en av de viktigaste uppfinningarna inom elteknikens historia, den omvandlar elektrisk energi från likström till mekanisk energi. Från industriell utrustning och transportsystem till hushållsapparater och robotar är den en nyckelkomponent i otaliga enheter. Att förstå hur en Samgående motor fungerar är avgörande för ingenjörer, tekniker och alla som är intresserade av elektromekaniska system.

Den här artikeln förklarar hur en likströmsmotor fungerar, dess komponenter, typer, tillämpningar samt den vetenskap som ligger bakom dess drift. Vi kommer också gå igenom hur vridmoment genereras, rollen hos kommutering samt hur hastighet och riktning regleras.

Grundläggande princip för drift

Den grundläggande funktionsprincipen för en likströmsmotor bygger på elektromagnetism . När en stromförande ledare placeras i ett magnetfält utsätts den för en mekanisk kraft. Detta beskrivs av Fleming's vänsterhandsregel, som säger:

• Den tumme representerar kraftens riktning (rörelse).

• Den pekfingret representerar magnetfältets riktning (norr till söder).

• Den långfingret representerar strömmens riktning (positiv till negativ).

Genom att ordna ledaren i en specifik konfiguration inne i motorn kan denna kraft utnyttjas för att skapa kontinuerlig rotation.

Huvudkomponenter i en likströmsmotor

Ankare (rotor)

Den roterande delen av motorn som leder ström genom lindningar. Ankar delen är monterad på en axel och interagerar med magnetfältet för att generera vridmoment.

Koltring

En segmenterad kopparring som är kopplad till ankardynsviklingarna. Dess roll är att vända strömriktningen i varje ankardynsspole när den roterar, vilket säkerställer att vridmoment alltid produceras i samma riktning.

Borstar

Grafitt eller kol, borstar upprätthåller elektrisk kontakt mellan den stationära strömförsörjningen och den roterande kommutatorn.

Fältvikling eller permanentmagneter

Dessa skapar det stationära magnetfält där ankaren roterar. I vissa konstruktioner används elektromagneter; i andra konstruktioner tillhandahåller permanentmagneter fältet.

Kullager

Stöder den roterande axeln, minskar friktionen och möjliggör jämn rörelse.

Hus (ram)

Den yttre kapseln som håller komponenterna samman, skyddar dem från skador och som också kan hjälpa till med värmeavledning.

Steg-för-steg arbetsprocess

1. Anslutning till strömförsörjning
   Likström tillförs till motorns anslutningar, där plus- och minusledningarna är kopplade till borstarna.

2. Strömflöde genom ankaren
   Borstarna överför den elektriska strömmen till kommutatorn, som dirigerar den till ankardynsviklingarna.

3. Magnetfältinteraktion
   Strömmen i ankarspolningarna genererar sitt eget magnetfält. Detta samverkar med det stationära magnetfältet från fältspolningarna eller de permanenta magneterna.

4. Kraftgenerering
   Samverkan mellan de två magnetfälten skapar en kraft på ankareledningarna, vilket får rotorn att vrida sig.

5. Kommutation
   När rotorn vrids växlar kommutatorn riktningen på strömmen i ankarspolningarna varje halv rotation. Detta säkerställer att den genererade vridmomentet behåller samma rotationsriktning.

6. Kontinuerlig rotation
   Processen upprepas kontinuerligt så länge spänningen är tillgänglig, vilket skapar en pågående mekanisk rotation.

Kommutteringens roll i en likströmsmotor

Kommutering är avgörande för att upprätthålla jämn rotation. Utan att vända strömmen i ankarspolningarna vid rätt tidpunkt skulle vridmomentet byta riktning och motorn skulle stanna eller rycka. I borstade motorer utförs mekanisk kommutering av borstar och kommutatorsegment. I borstlösa konstruktioner utförs kommuteringen av elektroniska kretsar.

Typer av likströmsmotorer och deras funktionsmässiga skillnader

Seriekompenserad likströmsmotor

• Fältspolningen är kopplad i serie med ankarspolningen.

• Skapar hög startmoment, vilket gör den lämplig för applikationer som kranar och elektriska tåg.

• Varierar mycket med belastningsförändringar.

Shuntkompenserad likströmsmotor

• Fältspolningen är kopplad parallellt med ankarspolningen.

• Ger god hastighetsreglering vid varierande belastningar.

• Vanlig i industriell maskineri som kräver stadig drift.

Sammansatt lindad likströmsmotor

• Kombinerar både serie- och shuntlindade magnetfält.

• Ererbjuder en balans mellan hög startmoment och god hastighetsreglering.

Permanent magnet dc motor

• Använder permanentmagneter för magnetfältet istället för lindningar.

• Enklare konstruktion, hög verkningsgrad och kompakt storlek.

• Finns i små hushållsapparater, leksaker och fordonsapplikationer.

Brushless DC-motor (BLDC)

• Använder elektronisk kommutering istället för borstar.

• Mer effektiv, längre livslängd och mindre underhåll.

• Populär i elbilar, drönare och precisionsinstrument.

Hur en likströmsmotor producerar vridmoment

Vridmoment är den rotationskraft som genereras av motorn. I en likströmsmotor beror vridmomentet på:

• Magnetfältets styrka.

• Mängden ström i ankarspolningarna.

• Antalet aktiva ledare i magnetfältet.

Den grundläggande vridmomentekvationen för en likströmsmotor är:

T = k × Φ × Ia

Där:

• T = Vridmoment

• k = Motor konstant

• φ = Magnetiskt flöde per pol

• Ia = Ankarström

Ökning av antingen ankarets ström eller den magnetiska flödeshastigheten kommer att öka vridmomentet.

Hastighetsreglering i en likströmsmotor

Hastighet kan regleras genom att justera:

• Ankar spänning : Högre spänning ökar hastigheten.

• Fältström : Ökad fältström förstärker det magnetiska fältet och minskar hastigheten; minskad ström ökar hastigheten.

• PWM-styrd : Pulskodmodulation möjliggör exakta och effektiva hastighetsjusteringar.

Riktningsskontroll

Rotationsriktningen i en likströmsmotor kan ändras genom att byta polaritet på antingen ankarförbränningen eller fältförbränningen (men inte båda samtidigt). Detta används ofta i reversibla drivsystem såsom elvinschar och industriella transportband.

Effektivitetsfaktorer

Effektiviteten hos en likströmsmotor beror på att förluster minimeras, inklusive:

• Elektriska förluster i lindningar (resistansförluster).

• Mekaniska förluster i lagringar och friktion.

• Kärnförluster på grund av magnetisk hystereseffekt och virvelströmmar.

Borstlösa konstruktioner erbjuder generellt högre effektivitet eftersom de eliminerar borstfriktion och minskar elektrisk gnistbildning.

Fördelar med likströmsmotorer i praktisk användning

• Exakt och jämn hastighetsreglering.

• Hög startmoment för tunga laster.

• Snabb respons på styrsignaler.

• Kompatibilitet med batteridriftskällor.

Begränsningar att överväga

• Underhållskrav för designs med borstar.

• Kortare livslängd vid hög belastning om den inte underhålls ordentligt.

• Elektriskt brus från borstar och kommutatorer.

Tillämpningar av DC-motorer

• Transport : Elbilar, tåg och spårvagnar.

• Industriella maskiner : Valsverk, transportband och lyftanordningar.

• Automatisering : Robotik, CNC-maskiner och aktuatorer.

• Konsumentelektronik : Elverktyg, fläktar och hushållsapparater.

Framtiden för likströmsmotorteknologi

Med ökande användning av förnybara energisystem, elmobilitet och avancerad automation förblir likströmsmotorer aktuella. Förbättringar av material, elektroniska styrsystem och tillverkningsmetoder förbättrar prestanda, minskar underhållsbehov och utökar användningsområdena. Särskilt borstlösa likströmsmotorer förväntas dominera framtida konstruktioner på grund av sin effektivitet och tillförlitlighet.

Slutsats

En likströmsmotor fungerar genom att omvandla elektrisk energi från en likströmskälla till mekanisk rotation genom samverkan mellan magnetfält och strömförande ledare. Den samordnade funktionen hos dess komponenter – ankare, kommutator, borstar och fält system – säkerställer kontinuerlig vridkraft. Oavsett om den är av borsttyp eller borstlös konstruktion gör dess förmåga att erbjuda exakt hastighetskontroll, hög vridmoment och anpassningsförmåga den oumbärlig inom många industrier.

Vanliga frågor

Vad är huvudfunktionen för en likströmsmotor?

Dess huvudfunktion är att omvandla elektrisk likströmsenergi till mekanisk rotationsenergi.

Hur styrs hastigheten på en likströmsmotor?

Genom att justera ankarspänningen, fältströmmen eller använda elektronisk PWM-reglering.

Varför behöver en likströmsmotor en kommutator?

Kommutatorn växlar riktning på strömmen i ankarspolarna vid rätt tidpunkt för att upprätthålla kontinuerlig rotation i samma riktning.

Kan en likströmsmotor fungera utan borstar?

Ja, i bürstlösa likströmsmotorer ersätter elektronikkretsar bürstarna för kommutering.

Vad bestämmer vridmomentutgången för en likströmsmotor?

Vridmomentet bestäms av den magnetiska flödeshastigheten, ankardelen, samt motorns konstruktion.