DC motor - DC motor
| Artikler om |
| Elektromagnetisme |
|---|
 |
En jævnstrømsmotor er en hvilken som helst klasse af roterende elektriske motorer, der konverterer elektrisk strøm af elektrisk strøm til mekanisk energi. De mest almindelige typer er afhængige af de kræfter, der produceres af magnetfelter. Næsten alle typer DC -motorer har en eller anden intern mekanisme, enten elektromekanisk eller elektronisk, til periodisk at ændre strømretningen i en del af motoren.
Jævnstrømsmotorer var den første form for motor, der blev brugt i vid udstrækning, da de kunne drives fra eksisterende jævnstrømssystemer til belysning. En jævnstrømsmotors hastighed kan styres over et bredt område ved hjælp af enten en variabel forsyningsspænding eller ved at ændre strømstyrken i dens feltviklinger. Små DC -motorer bruges i værktøjer, legetøj og apparater. Den universalmotor kan fungere på jævnstrøm, men er en letvægts børstet motor bruges til bærbare elværktøj og apparater. Større jævnstrømsmotorer bruges i øjeblikket til fremdrift af elektriske køretøjer, elevator og taljer og i drev til stålvalseværker. Fremkomsten af kraftelektronik har gjort udskiftning af DC -motorer med vekselstrømsmotorer mulig i mange applikationer.
Elektromagnetiske motorer
En trådspole med en strøm, der løber igennem den, genererer et elektromagnetisk felt på linje med spolens centrum. Retningen og størrelsen af magnetfeltet produceret af spolen kan ændres med retningen og størrelsen af strømmen, der strømmer gennem den.
En simpel DC -motor har et stationært sæt magneter i statoren og et anker med en eller flere viklinger af isoleret tråd viklet omkring en blød jernkerne, der koncentrerer magnetfeltet. Viklingerne har normalt flere omdrejninger omkring kernen, og i store motorer kan der være flere parallelle strømbaner. Enderne af trådviklingen er forbundet til en kommutator . Kommutatoren gør det muligt at aktivere hver ankerspole efter tur og forbinder de roterende spoler med den eksterne strømforsyning via børster. (Børsteløse DC -motorer har elektronik, der tænder og slukker jævnstrømmen til hver spole og har ingen børster.)
Den samlede mængde strøm, der sendes til spolen, spolens størrelse og hvad den er viklet rundt, dikterer styrken af det skabte elektromagnetiske felt.
Sekvensen med at tænde eller slukke en bestemt spole dikterer i hvilken retning de effektive elektromagnetiske felter peges. Ved at tænde og slukke spoler i rækkefølge kan et roterende magnetfelt oprettes. Disse roterende magnetfelter interagerer med magnetfelterne på magneterne (permanente eller elektromagneter ) i den stationære del af motoren (stator) for at skabe et drejningsmoment på ankeret, der får den til at rotere. I nogle jævnstrømsmotordesign bruger statorfelterne elektromagneter til at oprette deres magnetfelter, hvilket giver større kontrol over motoren.
Ved høje effektniveauer afkøles DC -motorer næsten altid ved hjælp af tvungen luft.
Forskellige antal stator- og ankerfelter samt hvordan de er forbundet giver forskellige iboende hastigheds- og momentreguleringsegenskaber. Hastigheden på en jævnstrømsmotor kan kontrolleres ved at ændre spændingen på ankeret. Variabel modstand i ankerkredsløbet eller feltkredsløbet tillader hastighedsregulering. Moderne jævnstrømsmotorer styres ofte af kraftelektroniksystemer , der justerer spændingen ved at "hakke" jævnstrømmen til tænd- og slukcyklusser, der har en effektiv lavere spænding.
Da den DC-motor, der er viklet i serie, udvikler sit højeste drejningsmoment ved lav hastighed, bruges den ofte i trækkraftsapplikationer såsom elektriske lokomotiver og sporvogne . Jævnstrømsmotoren var grundlaget for elektriske trækdrev på både elektriske og dieselelektriske lokomotiver , gadebiler/sporvogne og dieselelektriske borerigge i mange år. Indførelsen af jævnstrømsmotorer og et elektrisk net system til drift af maskiner fra 1870'erne startede en ny anden industriel revolution . DC -motorer kan fungere direkte fra genopladelige batterier, hvilket giver drivkraft til de første elbiler og nutidens hybridbiler og elbiler samt kører et væld af akku -værktøjer. I dag findes DC -motorer stadig i applikationer så små som legetøj og diskdrev eller i store størrelser til drift af stålvalseværker og papirmaskiner. Store jævnstrømsmotorer med særskilt spændte felter blev generelt brugt med spoledrev til mineløfter , til højt drejningsmoment samt jævn hastighedsregulering ved hjælp af tyristor -drev. Disse er nu erstattet med store vekselstrømsmotorer med frekvensomformere.
Hvis ekstern mekanisk strøm tilføres en DC -motor, fungerer den som en DC -generator, en dynamo . Denne funktion bruges til at bremse og genoplade batterier på hybrid- og elbiler eller til at returnere elektricitet tilbage til elnettet, der bruges på en gadebil eller elektrisk drevet toglinje, når de bremser. Denne proces kaldes regenerativ bremsning på hybrid- og elbiler. I dieselelektriske lokomotiver bruger de også deres jævnstrømsmotorer som generatorer til at bremse, men sprede energien i modstandsstakke. Nyere designs tilføjer store batteripakker til at genvinde noget af denne energi.
Børstet
_80_degree_split_ring.gif)
Den børstede jævnstrømsmotor genererer drejningsmoment direkte fra jævnstrøm til motoren ved hjælp af intern kommutation, stationære magneter ( permanente eller elektromagneter ) og roterende elektromagneter.
Fordelene ved en børstet DC -motor inkluderer lave startomkostninger, høj pålidelighed og enkel kontrol af motorhastighed. Ulemper er høj vedligeholdelse og lav levetid til brug med høj intensitet. Vedligeholdelse indebærer regelmæssig udskiftning af kulbørster og fjedre, der bærer den elektriske strøm, samt rengøring eller udskiftning af kommutatoren . Disse komponenter er nødvendige for at overføre elektrisk strøm fra ydersiden af motoren til roterende trådviklinger af rotoren inde i motoren.
Børster er normalt lavet af grafit eller kulstof, nogle gange tilsat dispergeret kobber for at forbedre ledningsevnen. Under brug slides det bløde børstemateriale, så det passer til kommutatorens diameter og bærer fortsat. En børsteholder har en fjeder for at bevare trykket på børsten, når den forkortes. For børster, der er beregnet til at bære mere end en ampere eller to, formes en flyvende ledning ind i børsten og tilsluttes motorterminalerne. Meget små børster kan stole på glidende kontakt med en metalbørsteholder til at føre strøm ind i børsten, eller de kan stole på en kontaktfjeder, der trykker på enden af børsten. Børsterne i meget små, kortlivede motorer, som bruges i legetøj, kan være fremstillet af en foldet metalstrimmel, der kommer i kontakt med kommutatoren.
Børsteløs
Typiske børsteløse DC -motorer bruger en eller flere permanente magneter i rotoren og elektromagneter på motorhuset til statoren. En motorstyring konverterer DC til AC . Dette design er mekanisk enklere end børstede motorers, fordi det eliminerer komplikationen ved at overføre strøm fra ydersiden af motoren til den roterende rotor. Motorstyringen kan registrere rotorens position via Hall -effektsensorer eller lignende enheder og kan præcist styre timingen, fasen osv. For strømmen i rotorspolerne for at optimere drejningsmoment, spare strøm, regulere hastighed og endda anvende en vis bremsning. Fordelene ved børsteløse motorer inkluderer lang levetid, lidt eller ingen vedligeholdelse og høj effektivitet. Ulemperne inkluderer høje initialomkostninger og mere komplicerede motorhastighedsregulatorer. Nogle sådanne børsteløse motorer kaldes undertiden "synkronmotorer", selvom de ikke har nogen ekstern strømforsyning at synkronisere med, som det ville være tilfældet med normale synkronmotorer.
Ukommuteret
Andre typer DC -motorer kræver ingen kommutation.
- Homopolær motor - En homopolær motor har et magnetfelt langs rotationsaksen og en elektrisk strøm, der på et tidspunkt ikke er parallel med magnetfeltet. Navnet homopolar refererer til fraværet af polaritetsændring. Homopolære motorer har nødvendigvis en single-turn spole, som begrænser dem til meget lave spændinger. Dette har begrænset den praktiske anvendelse af denne type motor.
- Kuglelejer motor -En kuglelejer motor er en usædvanlig elektrisk motor, der består af to kuglelejer af typen kuglelejer, med de indre løb monteret på en fælles ledende aksel, og de ydre løb er forbundet til en høj strøm, lav spænding strømforsyning. En alternativ konstruktion passer til de ydre løb inde i et metalrør, mens de indre løb er monteret på en aksel med en ikke-ledende sektion (f.eks. To ærmer på en isolerende stang). Denne metode har den fordel, at røret fungerer som et svinghjul. Rotationsretningen bestemmes af det indledende spin, som normalt kræves for at få det i gang.
Permanente magnetstatorer
En motor med permanent magnet (PM) har ikke et feltvikling på statorrammen, i stedet for at stole på PM'er for at tilvejebringe det magnetiske felt, som rotorfeltet interagerer med for at producere drejningsmoment. Kompenserende viklinger i serie med ankeret kan bruges på store motorer for at forbedre kommutering under belastning. Fordi dette felt er fast, kan det ikke justeres til hastighedskontrol. PM -felter (statorer) er bekvemme i miniaturemotorer for at eliminere strømforbruget i feltviklingen. De fleste større DC -motorer er af typen "dynamo", som har statorviklinger. Historisk set kunne PM'er ikke fås til at beholde høj flux, hvis de blev adskilt; feltviklinger var mere praktisk for at opnå den nødvendige mængde flux. Store PM'er er imidlertid dyre, såvel som farlige og vanskelige at samle; dette favoriserer sårfelter til store maskiner.
For at minimere den samlede vægt og størrelse kan miniatur PM -motorer bruge højenergimagneter fremstillet med neodym eller andre strategiske elementer; de fleste sådanne er neodym-jern-bor-legeringer. Med deres højere fluxdensitet er elektriske maskiner med højenergi-PM'er i det mindste konkurrencedygtige med alle optimalt designede enkeltmatede synkron- og induktionsmaskiner. Miniaturemotorer ligner strukturen i illustrationen, bortset fra at de har mindst tre rotorpoler (for at sikre start, uanset rotorposition), og deres ydre hus er et stålrør, der magnetisk forbinder ydersiden af de buede feltmagneter.
Sårstatorer
Der er tre typer elektriske forbindelser mellem statoren og rotoren mulige for jævnstrømsmotorer: serier, shunt/parallelle og sammensatte (forskellige blandinger af serier og shunt/parallelle), og hver har unikke hastigheds-/drejningsmomentegenskaber, der er passende for forskellige lastmomentprofiler/ underskrifter.
Serieforbindelse
En serie DC -motor forbinder anker og feltviklinger i serie med en fælles DC -strømkilde. Motorhastigheden varierer som en ikke-lineær funktion af belastningsmoment og ankerstrøm; strøm er fælles for både stator og rotor, hvilket giver strøm i firkantet (I^2) adfærd. En seriemotor har et meget højt startmoment og bruges almindeligvis til at starte høje inertimængder, såsom tog, elevatorer eller taljer. Denne hastigheds-/drejningsmomentkarakteristik er nyttig i applikationer såsom trækgravemaskiner , hvor graveværktøjet bevæger sig hurtigt, når det læsses, men langsomt, når det bærer en tung last.
En seriemotor bør aldrig startes uden belastning. Uden mekanisk belastning på seriemotoren er strømmen lav, den modelektro-drivkraft, der frembringes af feltviklingen, er svag, og derfor skal ankeret dreje hurtigere for at producere tilstrækkelig mod-EMF til at afbalancere forsyningsspændingen. Motoren kan blive beskadiget af for høj hastighed. Dette kaldes en løbsk tilstand.
Seriemotorer kaldet universalmotorer kan bruges på vekselstrøm . Da ankerspændingen og feltretningen vender på samme tid, fortsætter drejningsmomentet i samme retning. De kører dog med en lavere hastighed med lavere drejningsmoment på vekselstrømforsyning sammenlignet med jævnstrøm på grund af reaktansspændingsfald i vekselstrøm, som ikke er til stede i jævnstrøm. Da hastigheden ikke er relateret til liniefrekvensen, kan universalmotorer udvikle højere end synkrone hastigheder, hvilket gør dem lettere end induktionsmotorer med samme nominelle mekaniske ydelse. Dette er en værdifuld egenskab for håndholdt elværktøj. Universalmotorer til kommerciel brug har normalt en lille kapacitet, ikke mere end cirka 1 kW ydelse. Imidlertid blev meget større universelle motorer brugt til elektriske lokomotiver, der blev fodret med specielle lavfrekvente trækkraftnet for at undgå problemer med pendling under tunge og varierende belastninger.
Shunt forbindelse
En shunt DC -motor forbinder anker og feltviklinger parallelt eller shunt med en fælles DC -strømkilde. Denne type motor har god hastighedsregulering, selvom belastningen varierer, men har ikke startmomentet for en serie DC -motor. Det bruges typisk til industrielle applikationer med justerbar hastighed, såsom værktøjsmaskiner, viklings-/afrulningsmaskiner og spændere.
Sammensat forbindelse
En sammensat DC -motor forbinder anker og feltviklinger i en shunt og en seriekombination for at give den egenskaber ved både en shunt og en serie DC -motor. Denne motor bruges, når både et højt startmoment og god hastighedsregulering er nødvendig. Motoren kan tilsluttes i to arrangementer: kumulativt eller differentielt. Kumulative sammensatte motorer forbinder seriefeltet for at hjælpe shuntfeltet, hvilket giver højere startmoment, men mindre hastighedsregulering. Differentialsammensatte DC -motorer har god hastighedsregulering og drives typisk med konstant hastighed.
Se også
eksterne links
- Lav en fungerende model af DC-motor på sci-toys.com
- Sådan vælges en DC -motor på MICROMO
- DC motor model i Simulink på File Exchange - MATLAB Central