Egyenáramú villanymotorok: működésük, típusai és alkalmazásai

Milyen a DC elektromos motor Is

Az egyenáramú (DC) elektromos motor olyan gép, amely az egyenáramú elektromos energiát forgási mechanikai energiává alakítja. Működése azon az elven működik, hogy a mágneses térben elhelyezett áramvezető vezető erőt fejt ki – és a vezetők, mágnesek és a kapcsolómechanizmus helyes elrendezésével ez az erő egy forgásirányban folyamatosan fenntartható, hogy hasznos nyomatékot és sebességet hozzon létre egy kimenő tengelyen.

Az egyenáramú motorok voltak az első olyan elektromos motorok, amelyeket gyakorlati ipari felhasználásra fejlesztettek ki, az 1830-as években úttörő szerepet játszottak a feltalálók, köztük William Sturgeon és Thomas Davenport, és a 19. században és a 20. század elején az AC motortechnológia kifejlődése előtt az uralkodó motortípusokká váltak. Ma, Az egyenáramú motorok továbbra is nélkülözhetetlenek az autóipari rendszerekben, a hordozható elektromos szerszámokban, az akkumulátorral működő eszközökben, az elektromos járművekben és a precíziós mozgásvezérlésben — olyan alkalmazások, ahol az egyenáramú áramforrásról szabályozható fordulatszám és nyomaték elsődleges követelmény.

Hogyan működik az egyenáramú motor: A szálcsiszolt egyenáramú motor magyarázata

A működési elvet a klasszikus egyenáramú motor – a kefés típus – mutatja be a legvilágosabban. Főbb alkotóelemei az armatúra (rotor), a terepi rendszer (állórész), a kommutátor és a kefék.

A armatúra a forgó alkatrész, amely egy rétegelt vasmagból áll, amely rézvezetőkkel van feltekerve. Amikor egyenáram folyik ezeken a vezetőkön az állórész által biztosított mágneses téren belül, mindegyik vezető Lorentz-erőt fejt ki. A vezetékek úgy vannak elrendezve, hogy minden erő tangenciálisan ugyanabban a forgásirányban hat, és olyan nettó nyomatékot hoz létre, amely megforgatja az armatúrát.

A fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The kommutátor ezt megoldja: az armatúra tengelyére szerelt szegmentált rézgyűrűről van szó, minden szegmenshez más-más armatúra tekercselés kapcsolódik. Ahogy az armatúra forog, a kommutátor szegmensei álló szén alatt haladnak át ecsetek amelyek elektromos kapcsolatot tartanak fenn a külső áramkörrel. A kommutátor geometriája biztosítja, hogy az áram mindig a megfelelő irányba folyjon azon vezetékeken keresztül, amelyek az optimális nyomatéktermelő helyzetben vannak. hatékonyan megfordítja az áramot minden tekercsben, pontosan a megfelelő pillanatban a folyamatos egyirányú forgás fenntartásához.

Az egyenáramú motorok típusai és jellemzőik

sorozatú DC motor

Soros motorban a terepi tekercs és az armatúra tekercselés sorba van kötve – mindkettőn ugyanaz az áram folyik át. Ez nagyon nagy indítónyomatékot produkál, mivel alacsony fordulatszámon nagy áram folyik át a mezőn, erős mágneses teret hozva létre, és ezáltal nagy erőt az armatúra vezetőire. A sebesség azonban meredeken emelkedik a terhelés csökkenésével, és terhelés nélkül működő sorozatos egyenáramú motor veszélyesen nagy fordulatszámot érhet el (ez az úgynevezett "menekülés"). A sorozatmotorokat nagy indítási nyomatékot igénylő alkalmazásokban használják: elektromos vontatás (vonatok, villamosok), daruk, emelők és belsőégésű motorok indítómotorjai.

Shunt DC motor

A söntmotorban a mező tekercselés párhuzamosan (sönt) van kötve az armatúrával a tápfeszültségen. Mivel a térfeszültség állandó, a mező fluxusa lényegében állandó, függetlenül a terhelési áramtól. Ez adja a söntmotor meghatározó karakterisztikáját: viszonylag állandó sebesség széles terhelési tartományban . A fordulatszám szabályozása - a fordulatszám százalékos változása üresről teljes terhelésre - jellemzően 5-15% egy jól megtervezett söntmotorban. A söntmotorok alkalmasak szerszámgépekhez, esztergagépekhez, marógépekhez és ventilátorokhoz, ahol állandó fordulatszámra van szükség változó terhelés mellett.

Összetett DC motor

Az összetett motor a soros és a söntmező tekercseket egyaránt kombinálja, keverve a soros konfiguráció magas indítónyomatékát a sönt fordulatszám-stabilitásával. A kumulatív kompaundálás (terepi támogatás) nagy indítónyomatékot eredményez ésszerű fordulatszám-szabályozás mellett. A differenciálösszeállítás (ellentétes mezők) nagyon lapos sebességjellemzőket ad, de az instabilitási kockázatok miatt ritkán használják. Az összetett motorok préseket, lyukasztókat, felvonókat és egyéb olyan terheléseket szolgálnak ki, amelyek jó indítónyomatékot és stabil futási sebességet igényelnek.

Állandó mágneses egyenáramú motor (PMDC)

A PMDC motorok a tekercselési mezőt állandó mágnesekre cserélik, kiküszöbölve a mező tekercselési rézveszteségeit és leegyszerűsítve a felépítést. Kínálnak lineáris fordulatszám-nyomaték jellemzők – a fordulatszám arányosan csökken a nyomaték növekedésével – így nagyon kiszámíthatóak és könnyen irányíthatók. Az állandó mágneses motorok a domináns típusok a kis és közepes teljesítményű alkalmazásokban: autóipari segédhajtások (ablakemelők, ablaktörlők, ülésállítók), elektromos szerszámok, nyomtatók és kisgépek. Fő korlátjuk az, hogy az állandó mágnesek magas hőmérsékleten vagy erős túlterhelési áramok hatására demagnetizálódhatnak.

Kefe nélküli egyenáramú motor (BLDC)

A brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. Kefék nélkül nincs mechanikai kopás a kommutációs felületen , ami a BLDC motoroknak drámaian hosszabb élettartamot, nagyobb hatásfokot (általában 85-95%), alacsonyabb elektromos zajt és sokkal nagyobb sebességű működést biztosít, mint a kefés ekvivalensek. A BLDC motorok uralják az elektromos járműveket, a drónokat, a HVAC berendezéseket, az ipari szervohajtásokat és az akkumulátoros elektromos szerszámokat.

Szálcsiszolt és kefe nélküli egyenáramú motorok: Főbb különbségek

Fordulatszám-szabályozás egyenáramú motorokban

Az egyenáramú motorok egyik legértékesebb jellemzője az, hogy milyen egyszerűen szabályozható a fordulatszámuk – ez a tulajdonság tette őket a változtatható sebességű ipari hajtások preferált választásává már jóval azelőtt, hogy a modern AC inverter technológia létezett volna. Az egyenáramú motor fordulatszámát a back-EMF egyenlet szabályozza:

Sebesség ∝ (tápfeszültség – feszültségesés az armatúra ellenállásán) ÷ Mágneses fluxus

Ez az egyenlet feltárja a két gyakorlati sebességszabályozási módszert. Armatúra feszültségszabályozás — csökkenti az armatúrára adott feszültséget — arányosan csökkenti a fordulatszámot, miközben fenntartja a teljes fluxust, megőrzi a teljes nyomatékképességet csökkentett fordulatszámon. Ez a szabványos módszer az alap (névleges) fordulatszám alatti sebességekhez. A mező gyengülése — a téráram és ezáltal a fluxus csökkentése — az alapsebesség fölé növeli a fordulatszámot, de a nyomatékkapacitás arányosan csökken, mivel a mágneses tér gyengébb. Ez a két módszer együttesen széles szabályozható fordulatszám-tartományt biztosít az egyenáramú motoroknak: jellemzően 10:1 vagy nagyobb ipari hajtási alkalmazásokban, összehasonlítva a 2:1 vagy annál kisebb arányokkal a szabályozatlan váltakozó áramú indukciós motoroknál, amelyek nem rendelkeznek frekvenciaváltóval.

A modern gyakorlatban a sebességszabályozást elektronikusan hajtják végre. A PWM (impulzusszélesség-modulációs) vezérlők az armatúra effektív feszültségét úgy változtatják, hogy a tápellátást nagy frekvencián gyorsan be- és kikapcsolják – a bekapcsolási idő és a kikapcsolási idő aránya (munkaciklus) határozza meg az átlagos feszültséget és így a sebességet. A PWM vezérlés rendkívül hatékony, mivel a kapcsolótranzisztorok minimális energiát disszipálnak az ellenállásos feszültségeső módszerekhez képest, és lehetővé teszi a precíz fordulatszám-szabályozást a fordulatszámmérő vagy a motor tengelyén lévő jeladó egyszerű visszacsatolásával.

Ahol egyenáramú villanymotorokat használnak

Az egyenáramú motorok rendkívül sokféle alkalmazásban jelennek meg, a milliwatt-méretű precíziós műszerektől a megawatt-méretű ipari hajtásokig:

• Autóipar: Egy modern személyautó tartalmaz között 30-as és 80-as kis DC motorok ablakok, tükrök, ülések, ablaktörlők, hűtőventilátorok, üzemanyag-szivattyúk, ABS működtetők és HVAC ventilátorok. Az indítómotor – egy nagy nyomatékú sorozatú egyenáramú motor – minden indítási ciklusnál megforgatja a motort.
• Elektromos járművek: A BLDC és állandó mágneses szinkronmotorok (a BLDC egy változata) táplálják az akkumulátoros elektromos járművek vonóhajtását. A Tesla Model 3 hátsó motorja egy állandó mágneses szinkronmotor, amely több mint 250 kW-ot termel egy kompakt, könnyű csomagból.
• Elektromos szerszámok: Az akkumulátoros fúrók, csavarhúzók, körfűrészek és sarokcsiszolók vagy szálcsiszolt egyenáramú (gazdaságos) vagy BLDC (professzionális sorozat) motorokat használnak, amelyek lítium-ion akkumulátorokkal működnek.
• Ipari automatizálás és robotika: A CNC szerszámgépekben, robotkarokban és automatizált összeszerelő berendezésekben lévő szervohajtások BLDC vagy kefe nélküli állandó mágneses motorokat használnak zárt hurkú pozícióval és fordulatszám-szabályozással a precíz, ismételhető mozgás érdekében.
• Szórakoztató elektronika: A merevlemez-meghajtó orsómotorjai, a számítógépek és projektorok hűtőventilátorai és az okostelefonok vibrációs motorjai mind miniatűr egyenáramú motorok – gyakran BLDC –, amelyek folyamatosan vagy szakaszosan működnek zárt eszközökön belül.
• Vasút és tranzit: Az egyenáramú sorozatú vontatómotorok több mint egy évszázadon keresztül hajtották a földalatti vasúti hálózatokat. Világszerte sok metrórendszer még mindig egyenáramú vontatási infrastruktúrát működtet, bár a modern gördülőállomány egyre inkább fedélzeti inverterekkel ellátott váltakozó áramú motorokat használ.